Углекислый газ в атмосфере Земли. Углекислый газ википедия

Углекислый газ в атмосфере Земли — Википедия

Изменения концентрации CO2 в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет (сверху — за последнюю тысячу лет)

Углекислый газ в атмосфере Земли, по состоянию на 2013 год, колебался в пределах от 393 ppm (0,0393 %) до 397 ppm (0,0397 %).[1] Роль углекислого газа (CO2, диоксид или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании процесса фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, диоксид углерода в воздухе оказывает влияние на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучамое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты.[2]

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до трети общих антропогенных выбросов CO2 являются результатом обезлесения.[3][4] Впервые антропогенное влияние на концентрацию диоксида углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп её роста увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO2 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет.[5][6]

Роль в парниковом эффекте[править]

Спектр пропускания земной атмосферы (зависимость прозрачности от длины волны). Видны полосы поглощения CO2, O2, O3 и h3O.

Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является её долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей её эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, существуют в свободном состоянии в атмосфере на протяжении более короткого времени.[7][8][9]

Несмотря на относительно небольшую концентрацию в воздухе, CO2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту.[2]

Кроме парниковых свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что она тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO2 — 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности.[10]

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар[11] При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 Вт⁄м2, средняя температура на поверхности должна составлять −15 °C.[11] В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +15 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 30 °C, из которых 20,6 °C объясняется наличием в воздухе водяного пара, а 7,2 °C.[11] — углекислого газа. Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере.[12][13][14] Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 г/моль) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты.[15]

Источники углекислого газа[править]

К естественным источникам диоксида углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO2 приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путём их сжигания в факелах.

Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.

Естественные источники[править]

Большинство источников эмиссии по данным 98го года РФ CO2 являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют 330 млрд.[15] В ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года (англ.)русск. было выделено 13—40 % от среднегодовой эмиссии CO2, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив.[16][17] Во времена молодой Земли вулканическая активность была главным источником углекислого газа, а сейчас его вулканическая эмиссия (около 130—230 млн тонн в год) составляет менее 1 % от антропогенной.[18][19]

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы — часть CO2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5·1011 т диоксида углерода, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ·1012 т, то в среднем весь атмосферный CO2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет.[15] Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO2биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации.[15][20]

Антропогенная эмиссия[править]

Эмиссия углерода в атмосферу в результате пром. активности в 1800—2004 гг.

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO2. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами.[21] Соотношение увеличения количества CO2 в атмосфере ко всему выделенному CO2 составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает коротко­период­ические колебания и колебания с периодом в пять лет.[20]

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO2, вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн.[22] Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферной диоксида углерода эквивалентную сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990).[22] Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO2, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO2.[23] Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулировалась в атмосфере и в 2009 году её концентрация на 39 % превосходила доиндустриальное значение.[24]

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

Изменение температуры и углеродный цикл[править]

К другим факторам, увеличивающим содержание CO2 в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона, 1859 г).[25]

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO2 оставалось в пределах 100 ppm, то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило 40 %.[26] При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума 9000÷5000 лет до н. э. была приблизительно на 1—2 °C выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала 9 °C.[27]

Влияние вулканизма[править]

Современный вулканизм в среднем приводит к выделению 2·108 тонн CO2 в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии.[18] Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожжённого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ — второй по количеству (после водяного пара) газ, выделяемый вулканами. Большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворённым в воде.[28] Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO2, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объёма вулканической эмиссии CO2.[28]

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки 1783 года выделилось примерно 90 млн тонн CO2, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн.[28] Отдельные исследования указывают на несколько бо́льшее выделение диоксида углерода при упомянутых выше извержениях (Лаки 1783 г, ≈6,5·108 т), но относительная редкость подобных событий делает их влияние на содержание углекислого газа несущественным и в этом случае.[28]

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо 1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на 0,5 °C средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта. Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 1990-х годов. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO2растительностью.[29]

Современная концентрация[править]

Изменение концентрации CO2 за 50 лет.

В 2009 году средняя концентрация CO2 в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm.[1][30] Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3—9 ppm, которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии. Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO2. Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы, осуществляющее фотосинтез, является наибольшим.[31]

Изменение концентрации в прошлом[править]

Наиболее достоверный способ измерения концентрации диоксида углерода в атмосфере за период времени до начала прямых измерений — определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии. Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO2 оставался в пределах 260—284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени.[32] Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO2 в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике.[33][34] Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция.[35] В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO2 в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO2 на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180—210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280—300 ppm в более теплые периоды.[5][26][36]

Изменения концентрации атмосферного углекислого газа в течение фанерозоя (последние 541 млн лет, современность слева). В течение бо́льшей части последних 550 млн лет уровень CO2 значительно превосходил современный.

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO2 определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO2. Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии диоксида углерода с последующим изменением её уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.)русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO2 в прошлом, которые 150—200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400—600 млн лет назад — 6 000 ppm (0,6 %).[6]

Снижение уровня атмосферного CO2 прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная при­мерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад — начало формиро­ва­ния современного ледяного щита Антарктиды) количество CO2 составляло 760 ppm.[37] По гео­химическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг до­индустри­ально­го уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

Взаимосвязь с концентрацией в океане[править]

Обмен диоксидом углерода между водоёмами и воздухом

В земных океанах диоксида углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36·1012 тонн в пересчёте на углерод. Она там находится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO2. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

CaCO3 + CO2 + h3O ⇌ Ca2+ + 2 HCO3−

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO2. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO2 в левой части уменьшает pH, то есть приводит к закислению океана. Другие реакции между диоксидю углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и её ионов.

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO2. В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO2, полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой.[38]

1. ↑ 1,01,1  (англ.) Tans, Pieter. Globally averaged marine surface monthly mean data. NOAA/ESRL. Проверено 19 февраля 2014.
2. ↑ 2,02,1  (англ.) Petty, G.W.: A First Course in Atmospheric Radiation, pages 229—251, Sundog Publishing, 2004
3. ↑ http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.3.1.5 (p. 527)
4. ↑ www.un.org: Изменение климата.
5. ↑ 5,05,1  (англ.) Deep ice tells long climate story, BBC News (4 сентября 2006). Проверено 28 апреля 2010.
6. ↑ 6,06,1  (англ.) Climate Change 2001: The Scientific Basis
7. ↑  (англ.) Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions — PNAS
8. ↑  (англ.) WMO statement on the globa climate in 2010
9. ↑  (англ.) Bundle Up, It’s Global Warming, JUDAH COHEN, 25.12.2010
10. ↑ ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА, Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики
11. ↑ 11,011,111,2 Подрезов А. О., Аламанов С. К.; Лелевкин В. М., Подрезов О. А., Балбакова Ф. ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА и водные проблемы в Центральной Азии 18 (Москва – Бишкек, 2006). Архивировано из первоисточника 12 июля 2012.
12. ↑  (англ.) An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations, 1998 - 2012 Richard Shelquist
13. ↑ Абсолютная и относительная влажность
14. ↑  (англ.) Humidity 101, World Water Rescue Foundation
15. ↑ 15,015,115,215,3 Изменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие, World Bank Group: Хабиба Гитай
16. ↑  (англ.) Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming
17. ↑  (англ.) Massive peat burn is speeding climate change - 06 November 2004 - New Scientist
18. ↑ 18,018,1  (англ.) Gerlach, T.M., 1992, Present-day CO2 emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254 – 255
19. ↑  (англ.) U.S. Geological Survey, "Volcanic Gases and Their Effects", volcanoes.usgs.gov
20. ↑ 20,020,1 Keeling et al., 1995
21. ↑  (англ.) Abstract, Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks .
22. ↑ 22,022,1  (англ.) Global carbon budget 2008, lgmacweb.env.uea.ac.uk
23. ↑  (англ.) US Global Change Research Information Office, "Common Questions about Climate Change"
24. ↑  (англ.) Carbon Budget 2009 Highlights, The Global Carbon Project.
25. ↑  (англ.) Usoskin, Ilya G. (2003). «A Millennium Scale Sunspot Number Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940’s» (PDF). Physical Review Letters 91: 211101. DOI:10.1103/PhysRevLett.91.211101.
26. ↑ 26,026,1  (англ.) Vostok Ice Core Data, ncdc.noaa.gov
27. ↑  (англ.) V.L. Koshkarova and A.D. Koshkarov (2004). «Regional signatures of changing landscape and climate of northern central Siberia in the Holocene». Russian Geology and Geophysics 45 (6): 672–685.
28. ↑ 28,028,128,228,3  (англ.) Volcanic Carbon Dioxide, Timothy Casey
29. ↑  (англ.) Mount Pinatubo as a Test of Climate Feedback Mechanisms, Alan Robock, Department of Environmental Sciences, Rutgers University
30. ↑  (англ.) Current atmospheric CO2 concentration at http://co2unting.com. Архивировано из первоисточника 12 июля 2012.
31. ↑  (англ.) Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) — Frequently Asked Questions
32. ↑  (англ.) Historical CO2 record derived from a spline fit (20 year cutoff) of the Law Dome DE08 and DE08-2 ice cores. Проверено 12 июня 2007. Архивировано из первоисточника 12 июля 2012.
33. ↑  (англ.) Wagner, Friederike; Bent Aaby and Henk Visscher (2002). «Rapid atmospheric O2 changes associated with the 8,200-years-B.P. cooling event». PNAS 99 (19): 12011–12014. DOI:10.1073/pnas.182420699. PMID 12202744.
34. ↑  (англ.) Indermühle, Andreas; Bernhard Stauffer, Thomas F. Stocker (1999). «Early Holocene Atmospheric CO2 Concentrations». Science 286 (5446): 1815. DOI:10.1126/science.286.5446.1815a. Проверено May 26, 2005.
35. ↑  (англ.) Smith, H.J.; M Wahlen and D. Mastroianni (1997). «The CO2 concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition». Geophysical Research Letters 24 (1): 1 – 4. DOI:10.1029/96GL03700.
36. ↑  (англ.) Chemical & Engineering News: Latest News - Ice Core Record Extended
37. ↑  (англ.) New CO2 data helps unlock the secrets of Antarctic formation September 13th, 2009
38. ↑  (англ.) Archer, D. (2005). Fate of fossil fuel CO2 in geologic time. J. Geophys. Res., 110.

wp.wiki-wiki.ru

Углекислый газ в атмосфере Земли — Википедия

Изменения концентрации CO2 в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет (сверху — за последнюю тысячу лет)

Углекислый газ в атмосфере Земли является малой компонентой современной земной атмосферы, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет 0,02÷0,04% (250÷450 ppm). Начиная с середины XIX века отмечается устойчивый рост количества этого газа в атмосфере, с ноября 2015 года его среднемесячная концентрация стабильно превышает 400 ppm[1].

Роль углекислого газа (CO2, или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, диоксид углерода в воздухе влияет на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучаемое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты[2].

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до 20% антропогенных выбросов CO2 являются результатом обезлесения[3][4]. Впервые антропогенное влияние на концентрацию диоксида углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп его роста увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7% за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO2 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет[5][6].

Роль в парниковом эффекте

Спектр пропускания земной атмосферы (зависимость прозрачности от длины волны). Видны полосы поглощения CO2, O2, O3 и h3O.

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар.[7] При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 Вт⁄м2, средняя температура на поверхности должна составлять −15 °C.[7] В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +15 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 30 °C, из которых 20,6 °C объясняется наличием в воздухе водяного пара, а 7,2 °C.[7] — углекислого газа. При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту.[2]

Кроме парниковых свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO2 — 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности.[8] Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере.[9][10][11] Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 г/моль) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты.[12] Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго.[13][14][15]

Видео по теме

Источники углекислого газа

К естественным источникам диоксида углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO2 приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путём их сжигания в факелах.

Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.

Естественные источники

Большинство источников эмиссии по данным 98го года РФ CO2 являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют 330 млрд.[12] Пожары, возникающие в том числе по естественным причинам, из-за процесса горения в атмосфере и за счет обезлесения в случае выгорания лесных массивов приводят к эмиссии, которая сравнима с антропогенной. Например, в ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года (англ.)русск. было выделено 13—40 % от среднегодовой эмиссии CO2, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив.[16][17] Во времена молодой Земли вулканическая активность была главным источником углекислого газа, а сейчас его вулканическая эмиссия (около 130—230 млн тонн в год) составляет менее 1 % от антропогенной.[18][19]

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы — часть CO2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5·1011 т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ·1012 т, то в среднем весь атмосферный CO2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет.[12] Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO2биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации.[12][20]

Антропогенная эмиссия

Эмиссия углерода в атмосферу в результате пром. активности в 1800—2004 гг.

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO2. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами.[21] Соотношение увеличения количества CO2 в атмосфере ко всему выделенному CO2 составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет.[20]

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO2, вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн.[22] Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990).[22] Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO2, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO2.[23] Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на 39 % превысила доиндустриальное значение.[24]

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

Изменение температуры и углеродный цикл

К другим факторам, увеличивающим содержание CO2 в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона, 1859 г).[25]

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO2 оставалось в пределах 100 ppm, то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило 40 %.[26] При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума 9000÷5000 лет до н. э. была приблизительно на 1—2 °C выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала 9 °C.[27]

Влияние вулканизма

Современный вулканизм в среднем приводит к выделению 2·108 тонн CO2 в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии.[18] Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожжённого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ — второй по количеству (после водяного пара) газ, выделяемый вулканами. Большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворённым в воде.[28] Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO2, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объёма вулканической эмиссии CO2.[28]

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки 1783 года выделилось примерно 90 млн тонн CO2, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн.[28] Отдельные исследования указывают на несколько бо́льшее выделение диоксида углерода при упомянутых выше извержениях (Лаки 1783 г, ≈6,5·108 т), но относительная редкость подобных событий делает их влияние на содержание углекислого газа несущественным и в этом случае.[28]

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо 1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на 0,5 °C средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта. Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 1990-х годов. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO2растительностью.[29]

Современная концентрация

Изменение концентрации CO2 за 50 лет.

В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO2 в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm, в сентябре 2016 года превысила 400 ppm.[30][31] Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm, в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3—9 ppm, которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии. Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO2. Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы, осуществляющее фотосинтез, является наибольшим.[32]

Весной 2016 года австралийские ученые установили, что концентрация диоксида углерода в атмосфере в районе острова Тасмания достигла 400 ppm[33].

В 2017 году Всемирная метеорологическая организация сообщила, что концентрация диоксида углерода в атмосфере Земли достигла самого высокого уровня за последние 800 тысяч лет уровня: 403,3 ppm[34].

В апреле 2018 года по данным Погодной обсерватории на Мауна-Лоа, средняя концентрация CO2 достигла значения 410,26 ppm (или 0,041026 % углекислого газа в воздухе)[35]. Такой среднемесячный показатель наблюдается впервые за всю историю человеческой цивилизации[36].

Изменение концентрации в прошлом

Наиболее достоверным способом измерения концентраций атмосферного диоксида углерода в период времени до начала прямых измерений является определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии. Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO2 оставался в пределах 260—284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени.[37] Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO2 в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике.[38][39] Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция.[40] В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO2 в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO2 на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180—210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280—300 ppm в более теплые периоды.[5][26][41]

Изменения концентрации атмосферного углекислого газа в течение фанерозоя (последние 541 млн лет, современность слева). В течение бо́льшей части последних 550 млн лет уровень CO2 значительно превосходил современный.

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO2 определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO2. Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии диоксида углерода с последующим изменением его уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.)русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO2 в прошлом, которые 150—200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400—600 млн лет назад — 6 000 ppm (0,6 %).[6]

Снижение уровня атмосферного CO2 прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная примерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад — начало формирования современного ледяного щита Антарктиды) количество CO2 составляло 760 ppm.[42] По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

Взаимосвязь с концентрацией в океане

Обмен диоксидом углерода между водоёмами и воздухом

В земных океанах диоксида углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36·1012 тонн в пересчёте на углерод. Растворенный в воде CO2 содержится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO2. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

CaCO3 + CO2 + h3O ⇌ Ca2+ + 2 HCO3−

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO2. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO2 в левой части уменьшает pH, то есть приводит к закислению океана. Другие реакции между диоксидом углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и его ионов.

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO2. В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO2, полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой.[43]

Влияние концентрации CO2 в атмосфере на продуктивность растений (фотосинтеза)

По способу фиксации CO2 подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4. К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около 95% растительной биомассы Земли это С3-растения). К группе С4 принадлежат некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, просо.

С4-механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций CO2 в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO2 в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO2 более 1000 ppm.

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO2 в 400 ppm. Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент примерно 395 молекул на миллион (ppm), уже практически достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё еще очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO2 приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на 41%, а у С4 — на 22%.

Добавление в окружающий воздух 300 ppm CO2 приведет к росту продуктивности у С3-растений на 49% и у С4 - на 20%, у фруктовых деревьев и бахчевых культур — на 24%, бобовых — на 44%, корнеплодных — на 48%, овощных — на 37%.

С 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации CO2 на 9%, отмечалось увеличение содержания биомассы в лесах Европы на 25—30%.[44]

См. также

Примечания

1. ↑ Mauna Loa CO2 monthly mean data (англ.). Earth System Research Laboratory. Проверено 16 мая 2018.
2. ↑ 1 2  (англ.) Petty, G.W.: A First Course in Atmospheric Radiation, pages 229—251, Sundog Publishing, 2004
3. ↑ http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.1.2 (p. 514-515)
4. ↑ www.un.org: Изменение климата.
5. ↑ 1 2  (англ.) Deep ice tells long climate story, BBC News (4 сентября 2006). Проверено 28 апреля 2010.
6. ↑ 1 2  (англ.) Climate Change 2001: The Scientific Basis
7. ↑ 1 2 3 Подрезов А. О., Аламанов С. К.; Лелевкин В. М., Подрезов О. А., Балбакова Ф. ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА и водные проблемы в Центральной Азии 18 (Москва – Бишкек, 2006). Архивировано 12 июля 2012 года.
8. ↑ ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА, Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики
9. ↑  (англ.) An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations, 1998 - 2012 Richard Shelquist
10. ↑ Абсолютная и относительная влажность
11. ↑  (англ.) Humidity 101, World Water Rescue Foundation
12. ↑ 1 2 3 4 Изменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие, World Bank Group: Хабиба Гитай
13. ↑  (англ.) Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions — PNAS
14. ↑  (англ.) WMO statement on the globa climate in 2010
15. ↑  (англ.) Bundle Up, It’s Global Warming, JUDAH COHEN, 25.12.2010
16. ↑  (англ.) Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming
17. ↑  (англ.) Massive peat burn is speeding climate change - 06 November 2004 - New Scientist
18. ↑ 1 2  (англ.) Gerlach, T.M., 1992, Present-day CO2 emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254 – 255
19. ↑  (англ.) U.S. Geological Survey, "Volcanic Gases and Their Effects", volcanoes.usgs.gov
20. ↑ 1 2 Keeling et al., 1995
21. ↑  (англ.) Abstract, Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks .
22. ↑ 1 2  (англ.) Global carbon budget 2008, lgmacweb.env.uea.ac.uk
23. ↑  (англ.) US Global Change Research Information Office, "Common Questions about Climate Change"
24. ↑  (англ.) Carbon Budget 2009 Highlights, The Global Carbon Project.
25. ↑  (англ.) Usoskin, Ilya G. (2003). «A Millennium Scale Sunspot Number Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940’s» (PDF). Physical Review Letters 91: 211101. DOI:10.1103/PhysRevLett.91.211101.
26. ↑ 1 2  (англ.) Vostok Ice Core Data, ncdc.noaa.gov
27. ↑  (англ.) V.L. Koshkarova and A.D. Koshkarov (2004). «Regional signatures of changing landscape and climate of northern central Siberia in the Holocene». Russian Geology and Geophysics 45 (6): 672–685.
28. ↑ 1 2 3 4  (англ.) Volcanic Carbon Dioxide, Timothy Casey
29. ↑  (англ.) Mount Pinatubo as a Test of Climate Feedback Mechanisms, Alan Robock, Department of Environmental Sciences, Rutgers University
30. ↑  (англ.) Tans, Pieter. Globally averaged marine surface monthly mean data. NOAA/ESRL. Проверено 19 февраля 2014.
31. ↑  (англ.) Current atmospheric CO2 concentration at http://co2unting.com. Архивировано 12 июля 2012 года.
32. ↑  (англ.) Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) — Frequently Asked Questions
33. ↑ ТАСС: Наука - Австралийские ученые: уровень углекислого газа в мировой атмосфере достиг точки невозврата
34. ↑ Концентрация CO2 в атмосфере выросла до максимума за 800 тыс. лет
35. ↑ Mooney C. Earth’s atmosphere just crossed another troubling climate change threshold // The Washington Post. 2018-05-03.
36. ↑ Farand C. dioxide levels in Earth's atmosphere reach 'highest level in 800,000 years // The Independent. 2018-05-05.
37. ↑  (англ.) Historical CO2 record derived from a spline fit (20 year cutoff) of the Law Dome DE08 and DE08-2 ice cores. Проверено 12 июня 2007. Архивировано 12 июля 2012 года.
38. ↑  (англ.) Wagner, Friederike; Bent Aaby and Henk Visscher (2002). «Rapid atmospheric O2 changes associated with the 8,200-years-B.P. cooling event». PNAS 99 (19): 12011–12014. DOI:10.1073/pnas.182420699. PMID 12202744.
39. ↑  (англ.) Indermühle, Andreas; Bernhard Stauffer, Thomas F. Stocker (1999). «Early Holocene Atmospheric CO2 Concentrations». Science 286 (5446): 1815. DOI:10.1126/science.286.5446.1815a. Проверено May 26, 2005.
40. ↑  (англ.) Smith, H.J.; M Wahlen and D. Mastroianni (1997). «The CO2 concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition». Geophysical Research Letters 24 (1): 1 – 4. DOI:10.1029/96GL03700.
41. ↑  (англ.) Chemical & Engineering News: Latest News - Ice Core Record Extended
42. ↑  (англ.) New CO2 data helps unlock the secrets of Antarctic formation September 13th, 2009
43. ↑  (англ.) Archer, D. (2005). Fate of fossil fuel CO2 in geologic time. J. Geophys. Res., 110.
44. ↑ Реакция растений на рост концентрации углекислого газа в атмосфере, Акатов П. В.

Ссылки

wikipedia.green

Углекислый газ в атмосфере Земли — WiKi

Изменения концентрации CO2 в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет (сверху — за последнюю тысячу лет)

Углекислый газ в атмосфере Земли является малой компонентой современной земной атмосферы, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет 0,02÷0,04% (250÷450 ppm). Начиная с середины XIX века отмечается устойчивый рост количества этого газа в атмосфере, с ноября 2015 года его среднемесячная концентрация стабильно превышает 400 ppm[1].

Роль углекислого газа (CO2, или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, диоксид углерода в воздухе влияет на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучаемое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты[2].

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до 20% антропогенных выбросов CO2 являются результатом обезлесения[3][4]. Впервые антропогенное влияние на концентрацию диоксида углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп его роста увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO2 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет[5][6].

Роль в парниковом эффекте

  Спектр пропускания земной атмосферы (зависимость прозрачности от длины волны). Видны полосы поглощения CO2, O2, O3 и h3O.

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар.[7] При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 Вт⁄м2, средняя температура на поверхности должна составлять −15 °C.[7] В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +15 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 30 °C, из которых 20,6 °C объясняется наличием в воздухе водяного пара, а 7,2 °C.[7] — углекислого газа. При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту.[2]

Кроме парниковых свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO2 — 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности.[8] Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере.[9][10][11] Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 г/моль) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты.[12] Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго.[13][14][15]

Источники углекислого газа

К естественным источникам диоксида углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO2 приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путём их сжигания в факелах.

Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.

Естественные источники

Большинство источников эмиссии по данным 98го года РФ CO2 являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют 330 млрд.[12] В ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года (англ.)русск. было выделено 13—40 % от среднегодовой эмиссии CO2, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив.[16][17] Во времена молодой Земли вулканическая активность была главным источником углекислого газа, а сейчас его вулканическая эмиссия (около 130—230 млн тонн в год) составляет менее 1 % от антропогенной.[18][19]

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы — часть CO2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5·1011 т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ·1012 т, то в среднем весь атмосферный CO2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет.[12] Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO2биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации.[12][20]

Антропогенная эмиссия

  Эмиссия углерода в атмосферу в результате пром. активности в 1800—2004 гг.

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO2. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами.[21] Соотношение увеличения количества CO2 в атмосфере ко всему выделенному CO2 составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет.[20]

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO2, вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн.[22] Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990).[22] Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO2, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO2.[23] Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на 39 % превысила доиндустриальное значение.[24]

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

Изменение температуры и углеродный цикл

К другим факторам, увеличивающим содержание CO2 в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона, 1859 г).[25]

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO2 оставалось в пределах 100 ppm, то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило 40 %.[26] При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума 9000÷5000 лет до н. э. была приблизительно на 1—2 °C выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала 9 °C.[27]

Влияние вулканизма

Современный вулканизм в среднем приводит к выделению 2·108 тонн CO2 в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии.[18] Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожжённого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ — второй по количеству (после водяного пара) газ, выделяемый вулканами. Большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворённым в воде.[28] Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO2, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объёма вулканической эмиссии CO2.[28]

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки 1783 года выделилось примерно 90 млн тонн CO2, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн.[28] Отдельные исследования указывают на несколько бо́льшее выделение диоксида углерода при упомянутых выше извержениях (Лаки 1783 г, ≈6,5·108 т), но относительная редкость подобных событий делает их влияние на содержание углекислого газа несущественным и в этом случае.[28]

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо 1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на 0,5 °C средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта. Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 1990-х годов. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO2растительностью.[29]

Современная концентрация

  Изменение концентрации CO2 за 50 лет.

В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO2 в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm, в сентябре 2016 года превысила 400 ppm.[30][31] Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm, в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3—9 ppm, которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии. Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO2. Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы, осуществляющее фотосинтез, является наибольшим.[32]

Весной 2016 года австралийские ученые установили, что концентрация диоксида углерода в атмосфере в районе острова Тасмания достигла 400 ppm[33].

В 2017 году Всемирная метеорологическая организация сообщила, что концентрация диоксида углерода в атмосфере Земли достигла самого высокого уровня за последние 800 тысяч лет уровня: 403,3 ppm[34].

В апреле 2018 года по данным Погодной обсерватории на Мауна-Лоа, средняя концентрация CO2 достигла значения 410,26 ppm (или 0,041026 % углекислого газа в воздухе)[35]. Такой среднемесячный показатель наблюдается впервые за всю историю человеческой цивилизации[36].

Изменение концентрации в прошлом

Наиболее достоверным способом измерения концентраций атмосферного диоксида углерода в период времени до начала прямых измерений является определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии. Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO2 оставался в пределах 260—284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени.[37] Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO2 в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике.[38][39] Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция.[40] В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO2 в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO2 на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180—210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280—300 ppm в более теплые периоды.[5][26][41]

  Изменения концентрации атмосферного углекислого газа в течение фанерозоя (последние 541 млн лет, современность слева). В течение бо́льшей части последних 550 млн лет уровень CO2 значительно превосходил современный.

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO2 определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO2. Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии диоксида углерода с последующим изменением его уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.)русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO2 в прошлом, которые 150—200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400—600 млн лет назад — 6 000 ppm (0,6 %).[6]

Снижение уровня атмосферного CO2 прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная примерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад — начало формирования современного ледяного щита Антарктиды) количество CO2 составляло 760 ppm.[42] По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

Взаимосвязь с концентрацией в океане

  Обмен диоксидом углерода между водоёмами и воздухом

В земных океанах диоксида углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36·1012 тонн в пересчёте на углерод. Растворенный в воде CO2 содержится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO2. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

CaCO3 + CO2 + h3O ⇌ Ca2+ + 2 HCO3−

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO2. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO2 в левой части уменьшает pH, то есть приводит к закислению океана. Другие реакции между диоксидом углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и его ионов.

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO2. В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO2, полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой.[43]

Влияние концентрации CO2 в атмосфере на продуктивность растений (фотосинтеза)

По способу фиксации CO2 подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4. К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около 95% растительной биомассы Земли это С3-растения). К группе С4 принадлежат некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, просо.

С4-механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций CO2 в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO2 в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO2 более 1000 ppm.

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO2 в 400 ppm. Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент примерно 395 молекул на миллион (ppm), уже практически достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё еще очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO2 приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на 41%, а у С4 — на 22%.

Добавление в окружающий воздух 300 ppm CO2 приведет к росту продуктивности у С3-растений на 49% и у С4 - на 20%, у фруктовых деревьев и бахчевых культур — на 24%, бобовых — на 44%, корнеплодных — на 48%, овощных — на 37%.

С 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации CO2 на 9%, отмечалось увеличение содержания биомассы в лесах Европы на 25—30%.[44]

См. также

Примечания

1. ↑ Mauna Loa CO2 monthly mean data (англ.). Earth System Research Laboratory. Проверено 16 мая 2018.
2. ↑ 1 2  (англ.) Petty, G.W.: A First Course in Atmospheric Radiation, pages 229—251, Sundog Publishing, 2004
3. ↑ http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.1.2 (p. 514-515)
4. ↑ www.un.org: Изменение климата.
5. ↑ 1 2  (англ.) Deep ice tells long climate story, BBC News (4 сентября 2006). Проверено 28 апреля 2010.
6. ↑ 1 2  (англ.) Climate Change 2001: The Scientific Basis
7. ↑ 1 2 3 Подрезов А. О., Аламанов С. К.; Лелевкин В. М., Подрезов О. А., Балбакова Ф. ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА и водные проблемы в Центральной Азии 18 (Москва – Бишкек, 2006). Архивировано 12 июля 2012 года.
8. ↑ ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА, Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики
9. ↑  (англ.) An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations, 1998 - 2012 Richard Shelquist
10. ↑ Абсолютная и относительная влажность
11. ↑  (англ.) Humidity 101, World Water Rescue Foundation
12. ↑ 1 2 3 4 Изменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие, World Bank Group: Хабиба Гитай
13. ↑  (англ.) Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions — PNAS
14. ↑  (англ.) WMO statement on the globa climate in 2010
15. ↑  (англ.) Bundle Up, It’s Global Warming, JUDAH COHEN, 25.12.2010
16. ↑  (англ.) Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming
17. ↑  (англ.) Massive peat burn is speeding climate change - 06 November 2004 - New Scientist
18. ↑ 1 2  (англ.) Gerlach, T.M., 1992, Present-day CO2 emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254 – 255
19. ↑  (англ.) U.S. Geological Survey, "Volcanic Gases and Their Effects", volcanoes.usgs.gov
20. ↑ 1 2 Keeling et al., 1995
21. ↑  (англ.) Abstract, Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks .
22. ↑ 1 2  (англ.) Global carbon budget 2008, lgmacweb.env.uea.ac.uk
23. ↑  (англ.) US Global Change Research Information Office, "Common Questions about Climate Change"
24. ↑  (англ.) Carbon Budget 2009 Highlights, The Global Carbon Project.
25. ↑  (англ.) Usoskin, Ilya G. (2003). «A Millennium Scale Sunspot Number Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940’s» (PDF). Physical Review Letters 91: 211101. DOI:10.1103/PhysRevLett.91.211101.
26. ↑ 1 2  (англ.) Vostok Ice Core Data, ncdc.noaa.gov
27. ↑  (англ.) V.L. Koshkarova and A.D. Koshkarov (2004). «Regional signatures of changing landscape and climate of northern central Siberia in the Holocene». Russian Geology and Geophysics 45 (6): 672–685.
28. ↑ 1 2 3 4  (англ.) Volcanic Carbon Dioxide, Timothy Casey
29. ↑  (англ.) Mount Pinatubo as a Test of Climate Feedback Mechanisms, Alan Robock, Department of Environmental Sciences, Rutgers University
30. ↑  (англ.) Tans, Pieter. Globally averaged marine surface monthly mean data. NOAA/ESRL. Проверено 19 февраля 2014.
31. ↑  (англ.) Current atmospheric CO2 concentration at http://co2unting.com. Архивировано 12 июля 2012 года.
32. ↑  (англ.) Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) — Frequently Asked Questions
33. ↑ ТАСС: Наука - Австралийские ученые: уровень углекислого газа в мировой атмосфере достиг точки невозврата
34. ↑ Концентрация CO2 в атмосфере выросла до максимума за 800 тыс. лет
35. ↑ Mooney C. Earth’s atmosphere just crossed another troubling climate change threshold // The Washington Post. 2018-05-03.
36. ↑ Farand C. dioxide levels in Earth's atmosphere reach 'highest level in 800,000 years // The Independent. 2018-05-05.
37. ↑  (англ.) Historical CO2 record derived from a spline fit (20 year cutoff) of the Law Dome DE08 and DE08-2 ice cores. Проверено 12 июня 2007. Архивировано 12 июля 2012 года.
38. ↑  (англ.) Wagner, Friederike; Bent Aaby and Henk Visscher (2002). «Rapid atmospheric O2 changes associated with the 8,200-years-B.P. cooling event». PNAS 99 (19): 12011–12014. DOI:10.1073/pnas.182420699. PMID 12202744.
39. ↑  (англ.) Indermühle, Andreas; Bernhard Stauffer, Thomas F. Stocker (1999). «Early Holocene Atmospheric CO2 Concentrations». Science 286 (5446): 1815. DOI:10.1126/science.286.5446.1815a. Проверено May 26, 2005.
40. ↑  (англ.) Smith, H.J.; M Wahlen and D. Mastroianni (1997). «The CO2 concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition». Geophysical Research Letters 24 (1): 1 – 4. DOI:10.1029/96GL03700.
41. ↑  (англ.) Chemical & Engineering News: Latest News - Ice Core Record Extended
42. ↑  (англ.) New CO2 data helps unlock the secrets of Antarctic formation September 13th, 2009
43. ↑  (англ.) Archer, D. (2005). Fate of fossil fuel CO2 in geologic time. J. Geophys. Res., 110.
44. ↑ Реакция растений на рост концентрации углекислого газа в атмосфере, Акатов П. В.

Ссылки

ru-wiki.org

Углекислый газ в атмосфере Земли — Википедия РУ

Изменения концентрации CO2 в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет (сверху — за последнюю тысячу лет)

Углекислый газ в атмосфере Земли является малой компонентой современной земной атмосферы, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет 0,02÷0,04% (250÷450 ppm). Начиная с середины XIX века отмечается устойчивый рост количества этого газа в атмосфере, с ноября 2015 года его среднемесячная концентрация стабильно превышает 400 ppm[1].

Роль углекислого газа (CO2, или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, диоксид углерода в воздухе влияет на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучаемое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты[2].

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до 20% антропогенных выбросов CO2 являются результатом обезлесения[3][4]. Впервые антропогенное влияние на концентрацию диоксида углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп его роста увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO2 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет[5][6].

Роль в парниковом эффекте

  Спектр пропускания земной атмосферы (зависимость прозрачности от длины волны). Видны полосы поглощения CO2, O2, O3 и h3O.

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар.[7] При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 Вт⁄м2, средняя температура на поверхности должна составлять −15 °C.[7] В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +15 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 30 °C, из которых 20,6 °C объясняется наличием в воздухе водяного пара, а 7,2 °C.[7] — углекислого газа. При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту.[2]

Кроме парниковых свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO2 — 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности.[8] Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере.[9][10][11] Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 г/моль) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты.[12] Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго.[13][14][15]

Источники углекислого газа

К естественным источникам диоксида углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO2 приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путём их сжигания в факелах.

Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.

Естественные источники

Большинство источников эмиссии по данным 98го года РФ CO2 являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют 330 млрд.[12] В ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года (англ.)русск. было выделено 13—40 % от среднегодовой эмиссии CO2, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив.[16][17] Во времена молодой Земли вулканическая активность была главным источником углекислого газа, а сейчас его вулканическая эмиссия (около 130—230 млн тонн в год) составляет менее 1 % от антропогенной.[18][19]

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы — часть CO2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5·1011 т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ·1012 т, то в среднем весь атмосферный CO2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет.[12] Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO2биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации.[12][20]

Антропогенная эмиссия

  Эмиссия углерода в атмосферу в результате пром. активности в 1800—2004 гг.

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO2. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами.[21] Соотношение увеличения количества CO2 в атмосфере ко всему выделенному CO2 составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет.[20]

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO2, вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн.[22] Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990).[22] Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO2, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO2.[23] Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на 39 % превысила доиндустриальное значение.[24]

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

Изменение температуры и углеродный цикл

К другим факторам, увеличивающим содержание CO2 в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона, 1859 г).[25]

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO2 оставалось в пределах 100 ppm, то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило 40 %.[26] При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума 9000÷5000 лет до н. э. была приблизительно на 1—2 °C выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала 9 °C.[27]

Влияние вулканизма

Современный вулканизм в среднем приводит к выделению 2·108 тонн CO2 в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии.[18] Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожжённого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ — второй по количеству (после водяного пара) газ, выделяемый вулканами. Большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворённым в воде.[28] Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO2, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объёма вулканической эмиссии CO2.[28]

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки 1783 года выделилось примерно 90 млн тонн CO2, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн.[28] Отдельные исследования указывают на несколько бо́льшее выделение диоксида углерода при упомянутых выше извержениях (Лаки 1783 г, ≈6,5·108 т), но относительная редкость подобных событий делает их влияние на содержание углекислого газа несущественным и в этом случае.[28]

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо 1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на 0,5 °C средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта. Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 1990-х годов. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO2растительностью.[29]

Современная концентрация

  Изменение концентрации CO2 за 50 лет.

В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO2 в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm, в сентябре 2016 года превысила 400 ppm.[30][31] Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm, в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3—9 ppm, которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии. Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO2. Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы, осуществляющее фотосинтез, является наибольшим.[32]

Весной 2016 года австралийские ученые установили, что концентрация диоксида углерода в атмосфере в районе острова Тасмания достигла 400 ppm[33].

В 2017 году Всемирная метеорологическая организация сообщила, что концентрация диоксида углерода в атмосфере Земли достигла самого высокого уровня за последние 800 тысяч лет уровня: 403,3 ppm[34].

В апреле 2018 года по данным Погодной обсерватории на Мауна-Лоа, средняя концентрация CO2 достигла значения 410,26 ppm (или 0,041026 % углекислого газа в воздухе)[35]. Такой среднемесячный показатель наблюдается впервые за всю историю человеческой цивилизации[36].

Изменение концентрации в прошлом

Наиболее достоверным способом измерения концентраций атмосферного диоксида углерода в период времени до начала прямых измерений является определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии. Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO2 оставался в пределах 260—284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени.[37] Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO2 в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике.[38][39] Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция.[40] В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO2 в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO2 на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180—210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280—300 ppm в более теплые периоды.[5][26][41]

  Изменения концентрации атмосферного углекислого газа в течение фанерозоя (последние 541 млн лет, современность слева). В течение бо́льшей части последних 550 млн лет уровень CO2 значительно превосходил современный.

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO2 определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO2. Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии диоксида углерода с последующим изменением его уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.)русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO2 в прошлом, которые 150—200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400—600 млн лет назад — 6 000 ppm (0,6 %).[6]

Снижение уровня атмосферного CO2 прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная примерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад — начало формирования современного ледяного щита Антарктиды) количество CO2 составляло 760 ppm.[42] По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

Взаимосвязь с концентрацией в океане

  Обмен диоксидом углерода между водоёмами и воздухом

В земных океанах диоксида углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36·1012 тонн в пересчёте на углерод. Растворенный в воде CO2 содержится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO2. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

CaCO3 + CO2 + h3O ⇌ Ca2+ + 2 HCO3−

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO2. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO2 в левой части уменьшает pH, то есть приводит к закислению океана. Другие реакции между диоксидом углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и его ионов.

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO2. В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO2, полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой.[43]

Влияние концентрации CO2 в атмосфере на продуктивность растений (фотосинтеза)

По способу фиксации CO2 подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4. К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около 95% растительной биомассы Земли это С3-растения). К группе С4 принадлежат некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, просо.

С4-механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций CO2 в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO2 в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO2 более 1000 ppm.

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO2 в 400 ppm. Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент примерно 395 молекул на миллион (ppm), уже практически достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё еще очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO2 приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на 41%, а у С4 — на 22%.

Добавление в окружающий воздух 300 ppm CO2 приведет к росту продуктивности у С3-растений на 49% и у С4 - на 20%, у фруктовых деревьев и бахчевых культур — на 24%, бобовых — на 44%, корнеплодных — на 48%, овощных — на 37%.

С 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации CO2 на 9%, отмечалось увеличение содержания биомассы в лесах Европы на 25—30%.[44]

См. также

Примечания

1. ↑ Mauna Loa CO2 monthly mean data (англ.). Earth System Research Laboratory. Проверено 16 мая 2018.
2. ↑ 1 2  (англ.) Petty, G.W.: A First Course in Atmospheric Radiation, pages 229—251, Sundog Publishing, 2004
3. ↑ http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.1.2 (p. 514-515)
4. ↑ www.un.org: Изменение климата.
5. ↑ 1 2  (англ.) Deep ice tells long climate story, BBC News (4 сентября 2006). Проверено 28 апреля 2010.
6. ↑ 1 2  (англ.) Climate Change 2001: The Scientific Basis
7. ↑ 1 2 3 Подрезов А. О., Аламанов С. К.; Лелевкин В. М., Подрезов О. А., Балбакова Ф. ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА и водные проблемы в Центральной Азии 18 (Москва – Бишкек, 2006). Архивировано 12 июля 2012 года.
8. ↑ ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА, Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики
9. ↑  (англ.) An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations, 1998 - 2012 Richard Shelquist
10. ↑ Абсолютная и относительная влажность
11. ↑  (англ.) Humidity 101, World Water Rescue Foundation
12. ↑ 1 2 3 4 Изменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие, World Bank Group: Хабиба Гитай
13. ↑  (англ.) Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions — PNAS
14. ↑  (англ.) WMO statement on the globa climate in 2010
15. ↑  (англ.) Bundle Up, It’s Global Warming, JUDAH COHEN, 25.12.2010
16. ↑  (англ.) Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming
17. ↑  (англ.) Massive peat burn is speeding climate change - 06 November 2004 - New Scientist
18. ↑ 1 2  (англ.) Gerlach, T.M., 1992, Present-day CO2 emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254 – 255
19. ↑  (англ.) U.S. Geological Survey, "Volcanic Gases and Their Effects", volcanoes.usgs.gov
20. ↑ 1 2 Keeling et al., 1995
21. ↑  (англ.) Abstract, Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks .
22. ↑ 1 2  (англ.) Global carbon budget 2008, lgmacweb.env.uea.ac.uk
23. ↑  (англ.) US Global Change Research Information Office, "Common Questions about Climate Change"
24. ↑  (англ.) Carbon Budget 2009 Highlights, The Global Carbon Project.
25. ↑  (англ.) Usoskin, Ilya G. (2003). «A Millennium Scale Sunspot Number Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940’s» (PDF). Physical Review Letters 91: 211101. DOI:10.1103/PhysRevLett.91.211101.
26. ↑ 1 2  (англ.) Vostok Ice Core Data, ncdc.noaa.gov
27. ↑  (англ.) V.L. Koshkarova and A.D. Koshkarov (2004). «Regional signatures of changing landscape and climate of northern central Siberia in the Holocene». Russian Geology and Geophysics 45 (6): 672–685.
28. ↑ 1 2 3 4  (англ.) Volcanic Carbon Dioxide, Timothy Casey
29. ↑  (англ.) Mount Pinatubo as a Test of Climate Feedback Mechanisms, Alan Robock, Department of Environmental Sciences, Rutgers University
30. ↑  (англ.) Tans, Pieter. Globally averaged marine surface monthly mean data. NOAA/ESRL. Проверено 19 февраля 2014.
31. ↑  (англ.) Current atmospheric CO2 concentration at http://co2unting.com. Архивировано 12 июля 2012 года.
32. ↑  (англ.) Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) — Frequently Asked Questions
33. ↑ ТАСС: Наука - Австралийские ученые: уровень углекислого газа в мировой атмосфере достиг точки невозврата
34. ↑ Концентрация CO2 в атмосфере выросла до максимума за 800 тыс. лет
35. ↑ Mooney C. Earth’s atmosphere just crossed another troubling climate change threshold // The Washington Post. 2018-05-03.
36. ↑ Farand C. dioxide levels in Earth's atmosphere reach 'highest level in 800,000 years // The Independent. 2018-05-05.
37. ↑  (англ.) Historical CO2 record derived from a spline fit (20 year cutoff) of the Law Dome DE08 and DE08-2 ice cores. Проверено 12 июня 2007. Архивировано 12 июля 2012 года.
38. ↑  (англ.) Wagner, Friederike; Bent Aaby and Henk Visscher (2002). «Rapid atmospheric O2 changes associated with the 8,200-years-B.P. cooling event». PNAS 99 (19): 12011–12014. DOI:10.1073/pnas.182420699. PMID 12202744.
39. ↑  (англ.) Indermühle, Andreas; Bernhard Stauffer, Thomas F. Stocker (1999). «Early Holocene Atmospheric CO2 Concentrations». Science 286 (5446): 1815. DOI:10.1126/science.286.5446.1815a. Проверено May 26, 2005.
40. ↑  (англ.) Smith, H.J.; M Wahlen and D. Mastroianni (1997). «The CO2 concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition». Geophysical Research Letters 24 (1): 1 – 4. DOI:10.1029/96GL03700.
41. ↑  (англ.) Chemical & Engineering News: Latest News - Ice Core Record Extended
42. ↑  (англ.) New CO2 data helps unlock the secrets of Antarctic formation September 13th, 2009
43. ↑  (англ.) Archer, D. (2005). Fate of fossil fuel CO2 in geologic time. J. Geophys. Res., 110.
44. ↑ Реакция растений на рост концентрации углекислого газа в атмосфере, Акатов П. В.

Ссылки

http-wikipediya.ru

Углекислый газ в атмосфере Земли Википедия

Изменения концентрации CO2 в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет (сверху — за последнюю тысячу лет)

Углекислый газ в атмосфере Земли является малой компонентой современной земной атмосферы, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет 0,02÷0,04% (250÷450 ppm). Начиная с середины XIX века отмечается устойчивый рост количества этого газа в атмосфере, с ноября 2015 года его среднемесячная концентрация стабильно превышает 400 ppm[1].

Роль углекислого газа (CO2, или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, диоксид углерода в воздухе влияет на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучаемое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты[2].

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до 20% антропогенных выбросов CO2 являются результатом обезлесения[3][4]. Впервые антропогенное влияние на концентрацию диоксида углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп его роста увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7% за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO2 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет[5][6].

Роль в парниковом эффекте

Спектр пропускания земной атмосферы (зависимость прозрачности от длины волны). Видны полосы поглощения CO2, O2, O3 и h3O.

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар.[7] При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 Вт⁄м2, средняя температура на поверхности должна составлять −15 °C.[7] В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +15 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 30 °C, из которых 20,6 °C объясняется наличием в воздухе водяного пара, а 7,2 °C.[7] — углекислого газа. При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту.[2]

Кроме парниковых свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO2 — 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности.[8] Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере.[9][10][11] Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 г/моль) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты.[12] Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго.[13][14][15]

Источники углекислого газа

К естественным источникам диоксида углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO2 приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путём их сжигания в факелах.

Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.

Естественные источники

Большинство источников эмиссии по данным 98го года РФ CO2 являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют 330 млрд.[12] Пожары, возникающие в том числе по естественным причинам, из-за процесса горения в атмосфере и за счет обезлесения в случае выгорания лесных массивов приводят к эмиссии, которая сравнима с антропогенной. Например, в ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года (англ.)русск. было выделено 13—40 % от среднегодовой эмиссии CO2, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив.[16][17] Во времена молодой Земли вулканическая активность была главным источником углекислого газа, а сейчас его вулканическая эмиссия (около 130—230 млн тонн в год) составляет менее 1 % от антропогенной.[18][19]

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы — часть CO2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5·1011 т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ·1012 т, то в среднем весь атмосферный CO2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет.[12] Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO2биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации.[12][20]

Антропогенная эмиссия

Эмиссия углерода в атмосферу в результате пром. активности в 1800—2004 гг.

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO2. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами.[21] Соотношение увеличения количества CO2 в атмосфере ко всему выделенному CO2 составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет.[20]

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO2, вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн.[22] Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990).[22] Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO2, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO2.[23] Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на 39 % превысила доиндустриальное значение.[24]

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

Изменение температуры и углеродный цикл

К другим факторам, увеличивающим содержание CO2 в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона, 1859 г).[25]

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO2 оставалось в пределах 100 ppm, то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило 40 %.[26] При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума 9000÷5000 лет до н. э. была приблизительно на 1—2 °C выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала 9 °C.[27]

Влияние вулканизма

Современный вулканизм в среднем приводит к выделению 2·108 тонн CO2 в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии.[18] Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожжённого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ — второй по количеству (после водяного пара) газ, выделяемый вулканами. Большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворённым в воде.[28] Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO2, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объёма вулканической эмиссии CO2.[28]

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки 1783 года выделилось примерно 90 млн тонн CO2, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн.[28] Отдельные исследования указывают на несколько бо́льшее выделение диоксида углерода при упомянутых выше извержениях (Лаки 1783 г, ≈6,5·108 т), но относительная редкость подобных событий делает их влияние на содержание углекислого газа несущественным и в этом случае.[28]

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо 1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на 0,5 °C средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта. Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 1990-х годов. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO2растительностью.[29]

Современная концентрация

Изменение концентрации CO2 за 50 лет.

В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO2 в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm, в сентябре 2016 года превысила 400 ppm.[30][31] Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm, в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3—9 ppm, которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии. Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO2. Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы, осуществляющее фотосинтез, является наибольшим.[32]

Весной 2016 года австралийские ученые установили, что концентрация диоксида углерода в атмосфере в районе острова Тасмания достигла 400 ppm[33].

В 2017 году Всемирная метеорологическая организация сообщила, что концентрация диоксида углерода в атмосфере Земли достигла самого высокого уровня за последние 800 тысяч лет уровня: 403,3 ppm[34].

В апреле 2018 года по данным Погодной обсерватории на Мауна-Лоа, средняя концентрация CO2 достигла значения 410,26 ppm (или 0,041026 % углекислого газа в воздухе)[35]. Такой среднемесячный показатель наблюдается впервые за всю историю человеческой цивилизации[36].

Изменение концентрации в прошлом

Наиболее достоверным способом измерения концентраций атмосферного диоксида углерода в период времени до начала прямых измерений является определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии. Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO2 оставался в пределах 260—284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени.[37] Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO2 в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике.[38][39] Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция.[40] В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO2 в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO2 на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180—210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280—300 ppm в более теплые периоды.[5][26][41]

Изменения концентрации атмосферного углекислого газа в течение фанерозоя (последние 541 млн лет, современность слева). В течение бо́льшей части последних 550 млн лет уровень CO2 значительно превосходил современный.

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO2 определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO2. Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии диоксида углерода с последующим изменением его уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.)русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO2 в прошлом, которые 150—200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400—600 млн лет назад — 6 000 ppm (0,6 %).[6]

Снижение уровня атмосферного CO2 прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная примерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад — начало формирования современного ледяного щита Антарктиды) количество CO2 составляло 760 ppm.[42] По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

Взаимосвязь с концентрацией в океане

Обмен диоксидом углерода между водоёмами и воздухом

В земных океанах диоксида углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36·1012 тонн в пересчёте на углерод. Растворенный в воде CO2 содержится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO2. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

CaCO3 + CO2 + h3O ⇌ Ca2+ + 2 HCO3−

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO2. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO2 в левой части уменьшает pH, то есть приводит к закислению океана. Другие реакции между диоксидом углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и его ионов.

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO2. В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO2, полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой.[43]

Влияние концентрации CO2 в атмосфере на продуктивность растений (фотосинтеза)

По способу фиксации CO2 подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4. К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около 95% растительной биомассы Земли это С3-растения). К группе С4 принадлежат некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, просо.

С4-механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций CO2 в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO2 в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO2 более 1000 ppm.

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO2 в 400 ppm. Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент примерно 395 молекул на миллион (ppm), уже практически достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё еще очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO2 приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на 41%, а у С4 — на 22%.

Добавление в окружающий воздух 300 ppm CO2 приведет к росту продуктивности у С3-растений на 49% и у С4 - на 20%, у фруктовых деревьев и бахчевых культур — на 24%, бобовых — на 44%, корнеплодных — на 48%, овощных — на 37%.

С 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации CO2 на 9%, отмечалось увеличение содержания биомассы в лесах Европы на 25—30%.[44]

См. также

Примечания

1. ↑ Mauna Loa CO2 monthly mean data (англ.). Earth System Research Laboratory. Проверено 16 мая 2018.
2. ↑ 1 2  (англ.) Petty, G.W.: A First Course in Atmospheric Radiation, pages 229—251, Sundog Publishing, 2004
3. ↑ http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.1.2 (p. 514-515)
4. ↑ www.un.org: Изменение климата.
5. ↑ 1 2  (англ.) Deep ice tells long climate story, BBC News (4 сентября 2006). Проверено 28 апреля 2010.
6. ↑ 1 2  (англ.) Climate Change 2001: The Scientific Basis
7. ↑ 1 2 3 Подрезов А. О., Аламанов С. К.; Лелевкин В. М., Подрезов О. А., Балбакова Ф. ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА и водные проблемы в Центральной Азии 18 (Москва – Бишкек, 2006). Архивировано 12 июля 2012 года.
8. ↑ ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА, Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики
9. ↑  (англ.) An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations, 1998 - 2012 Richard Shelquist
10. ↑ Абсолютная и относительная влажность
11. ↑  (англ.) Humidity 101, World Water Rescue Foundation
12. ↑ 1 2 3 4 Изменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие, World Bank Group: Хабиба Гитай
13. ↑  (англ.) Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions — PNAS
14. ↑  (англ.) WMO statement on the globa climate in 2010
15. ↑  (англ.) Bundle Up, It’s Global Warming, JUDAH COHEN, 25.12.2010
16. ↑  (англ.) Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming
17. ↑  (англ.) Massive peat burn is speeding climate change - 06 November 2004 - New Scientist
18. ↑ 1 2  (англ.) Gerlach, T.M., 1992, Present-day CO2 emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254 – 255
19. ↑  (англ.) U.S. Geological Survey, "Volcanic Gases and Their Effects", volcanoes.usgs.gov
20. ↑ 1 2 Keeling et al., 1995
21. ↑  (англ.) Abstract, Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks .
22. ↑ 1 2  (англ.) Global carbon budget 2008, lgmacweb.env.uea.ac.uk
23. ↑  (англ.) US Global Change Research Information Office, "Common Questions about Climate Change"
24. ↑  (англ.) Carbon Budget 2009 Highlights, The Global Carbon Project.
25. ↑  (англ.) Usoskin, Ilya G. (2003). «A Millennium Scale Sunspot Number Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940’s» (PDF). Physical Review Letters 91: 211101. DOI:10.1103/PhysRevLett.91.211101.
26. ↑ 1 2  (англ.) Vostok Ice Core Data, ncdc.noaa.gov
27. ↑  (англ.) V.L. Koshkarova and A.D. Koshkarov (2004). «Regional signatures of changing landscape and climate of northern central Siberia in the Holocene». Russian Geology and Geophysics 45 (6): 672–685.
28. ↑ 1 2 3 4  (англ.) Volcanic Carbon Dioxide, Timothy Casey
29. ↑  (англ.) Mount Pinatubo as a Test of Climate Feedback Mechanisms, Alan Robock, Department of Environmental Sciences, Rutgers University
30. ↑  (англ.) Tans, Pieter. Globally averaged marine surface monthly mean data. NOAA/ESRL. Проверено 19 февраля 2014.
31. ↑  (англ.) Current atmospheric CO2 concentration at http://co2unting.com. Архивировано 12 июля 2012 года.
32. ↑  (англ.) Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) — Frequently Asked Questions
33. ↑ ТАСС: Наука - Австралийские ученые: уровень углекислого газа в мировой атмосфере достиг точки невозврата
34. ↑ Концентрация CO2 в атмосфере выросла до максимума за 800 тыс. лет
35. ↑ Mooney C. Earth’s atmosphere just crossed another troubling climate change threshold // The Washington Post. 2018-05-03.
36. ↑ Farand C. dioxide levels in Earth's atmosphere reach 'highest level in 800,000 years // The Independent. 2018-05-05.
37. ↑  (англ.) Historical CO2 record derived from a spline fit (20 year cutoff) of the Law Dome DE08 and DE08-2 ice cores. Проверено 12 июня 2007. Архивировано 12 июля 2012 года.
38. ↑  (англ.) Wagner, Friederike; Bent Aaby and Henk Visscher (2002). «Rapid atmospheric O2 changes associated with the 8,200-years-B.P. cooling event». PNAS 99 (19): 12011–12014. DOI:10.1073/pnas.182420699. PMID 12202744.
39. ↑  (англ.) Indermühle, Andreas; Bernhard Stauffer, Thomas F. Stocker (1999). «Early Holocene Atmospheric CO2 Concentrations». Science 286 (5446): 1815. DOI:10.1126/science.286.5446.1815a. Проверено May 26, 2005.
40. ↑  (англ.) Smith, H.J.; M Wahlen and D. Mastroianni (1997). «The CO2 concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition». Geophysical Research Letters 24 (1): 1 – 4. DOI:10.1029/96GL03700.
41. ↑  (англ.) Chemical & Engineering News: Latest News - Ice Core Record Extended
42. ↑  (англ.) New CO2 data helps unlock the secrets of Antarctic formation September 13th, 2009
43. ↑  (англ.) Archer, D. (2005). Fate of fossil fuel CO2 in geologic time. J. Geophys. Res., 110.
44. ↑ Реакция растений на рост концентрации углекислого газа в атмосфере, Акатов П. В.

Ссылки

wikiredia.ru

Углекислый газ в атмосфере Земли — википедия орг

Изменения концентрации CO2 в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет (сверху — за последнюю тысячу лет)

Углекислый газ в атмосфере Земли является малой компонентой современной земной атмосферы, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет 0,02÷0,04% (250÷450 ppm). Начиная с середины XIX века отмечается устойчивый рост количества этого газа в атмосфере, с ноября 2015 года его среднемесячная концентрация стабильно превышает 400 ppm[1].

Роль углекислого газа (CO2, или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, диоксид углерода в воздухе влияет на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучаемое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты[2].

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до 20% антропогенных выбросов CO2 являются результатом обезлесения[3][4]. Впервые антропогенное влияние на концентрацию диоксида углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп его роста увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO2 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет[5][6].

Роль в парниковом эффекте

  Спектр пропускания земной атмосферы (зависимость прозрачности от длины волны). Видны полосы поглощения CO2, O2, O3 и h3O.

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар.[7] При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 Вт⁄м2, средняя температура на поверхности должна составлять −15 °C.[7] В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +15 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 30 °C, из которых 20,6 °C объясняется наличием в воздухе водяного пара, а 7,2 °C.[7] — углекислого газа. При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту.[2]

Кроме парниковых свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO2 — 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности.[8] Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере.[9][10][11] Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 г/моль) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты.[12] Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго.[13][14][15]

Источники углекислого газа

К естественным источникам диоксида углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO2 приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путём их сжигания в факелах.

Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.

Естественные источники

Большинство источников эмиссии по данным 98го года РФ CO2 являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют 330 млрд.[12] В ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года (англ.)русск. было выделено 13—40 % от среднегодовой эмиссии CO2, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив.[16][17] Во времена молодой Земли вулканическая активность была главным источником углекислого газа, а сейчас его вулканическая эмиссия (около 130—230 млн тонн в год) составляет менее 1 % от антропогенной.[18][19]

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы — часть CO2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5·1011 т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ·1012 т, то в среднем весь атмосферный CO2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет.[12] Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO2биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации.[12][20]

Антропогенная эмиссия

  Эмиссия углерода в атмосферу в результате пром. активности в 1800—2004 гг.

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO2. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами.[21] Соотношение увеличения количества CO2 в атмосфере ко всему выделенному CO2 составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет.[20]

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO2, вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн.[22] Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990).[22] Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO2, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO2.[23] Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на 39 % превысила доиндустриальное значение.[24]

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

Изменение температуры и углеродный цикл

К другим факторам, увеличивающим содержание CO2 в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона, 1859 г).[25]

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO2 оставалось в пределах 100 ppm, то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило 40 %.[26] При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума 9000÷5000 лет до н. э. была приблизительно на 1—2 °C выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала 9 °C.[27]

Влияние вулканизма

Современный вулканизм в среднем приводит к выделению 2·108 тонн CO2 в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии.[18] Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожжённого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ — второй по количеству (после водяного пара) газ, выделяемый вулканами. Большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворённым в воде.[28] Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO2, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объёма вулканической эмиссии CO2.[28]

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки 1783 года выделилось примерно 90 млн тонн CO2, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн.[28] Отдельные исследования указывают на несколько бо́льшее выделение диоксида углерода при упомянутых выше извержениях (Лаки 1783 г, ≈6,5·108 т), но относительная редкость подобных событий делает их влияние на содержание углекислого газа несущественным и в этом случае.[28]

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо 1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на 0,5 °C средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта. Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 1990-х годов. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO2растительностью.[29]

Современная концентрация

  Изменение концентрации CO2 за 50 лет.

В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO2 в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm, в сентябре 2016 года превысила 400 ppm.[30][31] Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm, в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3—9 ppm, которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии. Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO2. Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы, осуществляющее фотосинтез, является наибольшим.[32]

Весной 2016 года австралийские ученые установили, что концентрация диоксида углерода в атмосфере в районе острова Тасмания достигла 400 ppm[33].

В 2017 году Всемирная метеорологическая организация сообщила, что концентрация диоксида углерода в атмосфере Земли достигла самого высокого уровня за последние 800 тысяч лет уровня: 403,3 ppm[34].

В апреле 2018 года по данным Погодной обсерватории на Мауна-Лоа, средняя концентрация CO2 достигла значения 410,26 ppm (или 0,041026 % углекислого газа в воздухе)[35]. Такой среднемесячный показатель наблюдается впервые за всю историю человеческой цивилизации[36].

Изменение концентрации в прошлом

Наиболее достоверным способом измерения концентраций атмосферного диоксида углерода в период времени до начала прямых измерений является определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии. Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO2 оставался в пределах 260—284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени.[37] Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO2 в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике.[38][39] Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция.[40] В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO2 в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO2 на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180—210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280—300 ppm в более теплые периоды.[5][26][41]

  Изменения концентрации атмосферного углекислого газа в течение фанерозоя (последние 541 млн лет, современность слева). В течение бо́льшей части последних 550 млн лет уровень CO2 значительно превосходил современный.

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO2 определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO2. Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии диоксида углерода с последующим изменением его уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.)русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO2 в прошлом, которые 150—200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400—600 млн лет назад — 6 000 ppm (0,6 %).[6]

Снижение уровня атмосферного CO2 прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная примерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад — начало формирования современного ледяного щита Антарктиды) количество CO2 составляло 760 ppm.[42] По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

Взаимосвязь с концентрацией в океане

  Обмен диоксидом углерода между водоёмами и воздухом

В земных океанах диоксида углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36·1012 тонн в пересчёте на углерод. Растворенный в воде CO2 содержится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO2. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

CaCO3 + CO2 + h3O ⇌ Ca2+ + 2 HCO3−

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO2. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO2 в левой части уменьшает pH, то есть приводит к закислению океана. Другие реакции между диоксидом углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и его ионов.

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO2. В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO2, полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой.[43]

Влияние концентрации CO2 в атмосфере на продуктивность растений (фотосинтеза)

По способу фиксации CO2 подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4. К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около 95% растительной биомассы Земли это С3-растения). К группе С4 принадлежат некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, просо.

С4-механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций CO2 в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO2 в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO2 более 1000 ppm.

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO2 в 400 ppm. Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент примерно 395 молекул на миллион (ppm), уже практически достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё еще очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO2 приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на 41%, а у С4 — на 22%.

Добавление в окружающий воздух 300 ppm CO2 приведет к росту продуктивности у С3-растений на 49% и у С4 - на 20%, у фруктовых деревьев и бахчевых культур — на 24%, бобовых — на 44%, корнеплодных — на 48%, овощных — на 37%.

С 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации CO2 на 9%, отмечалось увеличение содержания биомассы в лесах Европы на 25—30%.[44]

См. также

Примечания

1. ↑ Mauna Loa CO2 monthly mean data (англ.). Earth System Research Laboratory. Проверено 16 мая 2018.
2. ↑ 1 2  (англ.) Petty, G.W.: A First Course in Atmospheric Radiation, pages 229—251, Sundog Publishing, 2004
3. ↑ http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.1.2 (p. 514-515)
4. ↑ www.un.org: Изменение климата.
5. ↑ 1 2  (англ.) Deep ice tells long climate story, BBC News (4 сентября 2006). Проверено 28 апреля 2010.
6. ↑ 1 2  (англ.) Climate Change 2001: The Scientific Basis
7. ↑ 1 2 3 Подрезов А. О., Аламанов С. К.; Лелевкин В. М., Подрезов О. А., Балбакова Ф. ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА и водные проблемы в Центральной Азии 18 (Москва – Бишкек, 2006). Архивировано 12 июля 2012 года.
8. ↑ ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА, Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики
9. ↑  (англ.) An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations, 1998 - 2012 Richard Shelquist
10. ↑ Абсолютная и относительная влажность
11. ↑  (англ.) Humidity 101, World Water Rescue Foundation
12. ↑ 1 2 3 4 Изменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие, World Bank Group: Хабиба Гитай
13. ↑  (англ.) Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions — PNAS
14. ↑  (англ.) WMO statement on the globa climate in 2010
15. ↑  (англ.) Bundle Up, It’s Global Warming, JUDAH COHEN, 25.12.2010
16. ↑  (англ.) Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming
17. ↑  (англ.) Massive peat burn is speeding climate change - 06 November 2004 - New Scientist
18. ↑ 1 2  (англ.) Gerlach, T.M., 1992, Present-day CO2 emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254 – 255
19. ↑  (англ.) U.S. Geological Survey, "Volcanic Gases and Their Effects", volcanoes.usgs.gov
20. ↑ 1 2 Keeling et al., 1995
21. ↑  (англ.) Abstract, Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks .
22. ↑ 1 2  (англ.) Global carbon budget 2008, lgmacweb.env.uea.ac.uk
23. ↑  (англ.) US Global Change Research Information Office, "Common Questions about Climate Change"
24. ↑  (англ.) Carbon Budget 2009 Highlights, The Global Carbon Project.
25. ↑  (англ.) Usoskin, Ilya G. (2003). «A Millennium Scale Sunspot Number Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940’s» (PDF). Physical Review Letters 91: 211101. DOI:10.1103/PhysRevLett.91.211101.
26. ↑ 1 2  (англ.) Vostok Ice Core Data, ncdc.noaa.gov
27. ↑  (англ.) V.L. Koshkarova and A.D. Koshkarov (2004). «Regional signatures of changing landscape and climate of northern central Siberia in the Holocene». Russian Geology and Geophysics 45 (6): 672–685.
28. ↑ 1 2 3 4  (англ.) Volcanic Carbon Dioxide, Timothy Casey
29. ↑  (англ.) Mount Pinatubo as a Test of Climate Feedback Mechanisms, Alan Robock, Department of Environmental Sciences, Rutgers University
30. ↑  (англ.) Tans, Pieter. Globally averaged marine surface monthly mean data. NOAA/ESRL. Проверено 19 февраля 2014.
31. ↑  (англ.) Current atmospheric CO2 concentration at http://co2unting.com. Архивировано 12 июля 2012 года.
32. ↑  (англ.) Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) — Frequently Asked Questions
33. ↑ ТАСС: Наука - Австралийские ученые: уровень углекислого газа в мировой атмосфере достиг точки невозврата
34. ↑ Концентрация CO2 в атмосфере выросла до максимума за 800 тыс. лет
35. ↑ Mooney C. Earth’s atmosphere just crossed another troubling climate change threshold // The Washington Post. 2018-05-03.
36. ↑ Farand C. dioxide levels in Earth's atmosphere reach 'highest level in 800,000 years // The Independent. 2018-05-05.
37. ↑  (англ.) Historical CO2 record derived from a spline fit (20 year cutoff) of the Law Dome DE08 and DE08-2 ice cores. Проверено 12 июня 2007. Архивировано 12 июля 2012 года.
38. ↑  (англ.) Wagner, Friederike; Bent Aaby and Henk Visscher (2002). «Rapid atmospheric O2 changes associated with the 8,200-years-B.P. cooling event». PNAS 99 (19): 12011–12014. DOI:10.1073/pnas.182420699. PMID 12202744.
39. ↑  (англ.) Indermühle, Andreas; Bernhard Stauffer, Thomas F. Stocker (1999). «Early Holocene Atmospheric CO2 Concentrations». Science 286 (5446): 1815. DOI:10.1126/science.286.5446.1815a. Проверено May 26, 2005.
40. ↑  (англ.) Smith, H.J.; M Wahlen and D. Mastroianni (1997). «The CO2 concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition». Geophysical Research Letters 24 (1): 1 – 4. DOI:10.1029/96GL03700.
41. ↑  (англ.) Chemical & Engineering News: Latest News - Ice Core Record Extended
42. ↑  (англ.) New CO2 data helps unlock the secrets of Antarctic formation September 13th, 2009
43. ↑  (англ.) Archer, D. (2005). Fate of fossil fuel CO2 in geologic time. J. Geophys. Res., 110.
44. ↑ Реакция растений на рост концентрации углекислого газа в атмосфере, Акатов П. В.

Ссылки

www-wikipediya.ru

Диоксид углерода — Википедия

Общие Физические свойства Термические свойства Химические свойства Классификация Безопасность

Диоксид углерода
Систематическоенаименование	Диоксид углерода
Традиционные названия	углекислый газ, двуокись углерода, сухой лёд (в твёрдом состоянии)
Хим. формула	CO2
Состояние	бесцветный газ
Молярная масса	44,01 г/моль
Плотность	газ 1,97680 кг/м³ж. 9250°С, 35,5 ат кг/м³тв. 1560-78,5 кг/м³
Динамическая вязкость	8,5·10-5 Па·с (10°C; 5,7 МПа)
Т. субл.	-78,5 °C
Тройная точка	-56,6°C; 0,52 МПа
Кр. точка	31,1 °C; 7,38 МПа
Уд. теплоёмк.	846 Дж/(кг·К)
Удельная теплота плавления	25,13 кДж/моль
Растворимость в воде	1,45 кг/м³
Рег. номер CAS	124-38-9
RTECS	FF6400000
S-фразы	S9, S23, S36
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Диокси́д углеро́да (углеки́слый газ, двуо́кись углеро́да, окси́д углеро́да (IV), у́гольный ангидри́д) — бесцветный газ (в нормальных условиях), без запаха, со слегка кисловатым вкусом.

Плотность при нормальных условиях 1,98 кг/м³. При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.

Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,04 %[1]. Углекислый газ легко пропускает ультрафиолетовые лучи и лучи видимой части спектра, которые поступают на Землю от Солнца и обогревают её. В то же время он поглощает испускаемые Землёй инфракрасные лучи и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления. Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.

Физические[править]

Оксид углерода(IV) — углекислый газ, газ без запаха и цвета, при сильном охлаждении кристаллизуется в виде белой снегообразной массы — «сухого льда». При атмосферном давлении он не плавится, а испаряется, температура сублимации −78 °С. Углекислый газ образуется при гниении и горении органических веществ. Содержится в воздухе и минеральных источниках, выделяется при дыхании животных и растений. Растворим в воде (1 объём углекислого газа в одном объёме воды при 15 °С).

Химические[править]

По химическим свойствам диоксид углерода относится к кислотным оксидам. При растворении в воде образует угольную кислоту. Реагирует с щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов. Вступает в реакции электрофильного замещения (например, с фенолом) и нуклеофильного присоединения (например, с магнийорганическими соединениями).

Оксид углерода(IV) не поддерживает горения. В нём горят только некоторые активные металлы:[2]:

Взаимодействие с оксидом активного металла:

При растворении в воде образует угольную кислоту:

Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов:

(качественная реакция на углекислый газ)

Биологические[править]

Организм человека выделяет приблизительно 1 кг (2,3 фунта) углекислого газа в сутки[3].

Этот углекислый газ переносится от тканей, где он образуется в качестве одного из конечных продуктов метаболизма, по венозной системе и затем выделяется с выдыхаемым воздухом через лёгкие. Таким образом, содержание углекислого газа в крови велико в венозной системе, и уменьшается в капиллярной сети лёгких, и мало в артериальной крови. Содержание углекислого газа в пробе крови часто выражают в терминах парциального давления, то есть давления, которое бы имел содержащийся в пробе крови в данном количестве углекислый газ, если бы весь объём пробы крови занимал только он[4].

Содержание углекислого газа в крови человека приблизительно таково:

Референсные значения или средние значения парциального давления углекислого газа в крови (pCO2) Единицы измерения Газ венозной крови Альвеолярный лёгочный газ Газ артериальной крови

кПа	5,5[5]—6,8[5]	4,8	4,7[5]—6,0[5]
мм рт.ст.	41—51	36	35[6]—45[6]

Углекислый газ (CO2) транспортируется в крови тремя различными способами (точное соотношение каждого из этих трёх способов транспортировки зависит от того, является ли кровь артериальной или венозной).

• Большая часть углекислого газа (от 70 % до 80 %) преобразуется ферментом карбоангидразой эритроцитов в ионы гидрокарбоната[7], при помощи реакции CO2 + h3O → h3CO3 → H+ + HCO3-.
• Около 5 % — 10 % углекислого газа растворено в плазме крови[7].
• Около 5 % — 10 % углекислого газа связано с гемоглобином в виде карбаминосоединений (карбогемоглобин)[7].

Гемоглобин, основной кислород-транспортирующий белок эритроцитов крови, способен транспортировать как кислород, так и углекислый газ. Однако углекислый газ связывается с гемоглобином в ином месте, чем кислород. Он связывается с N-терминальными концами цепей глобина, а не с гемом. Однако благодаря аллостерическим эффектам, которые приводят к изменению конфигурации молекулы гемоглобина при связывании, связывание углекислого газа понижает способность кислорода к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении кислорода, и наоборот — связывание кислорода с гемоглобином понижает способность углекислого газа к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении углекислого газа. Помимо этого, способность гемоглобина к преимущественному связыванию с кислородом или с углекислым газом зависит также и от pH среды. Эти особенности очень важны для успешного захвата и транспорта кислорода из лёгких в ткани и его успешного высвобождения в тканях, а также для успешного захвата и транспорта углекислого газа из тканей в лёгкие и его высвобождения там.

Углекислый газ является одним из важнейших медиаторов ауторегуляции кровотока. Он является мощным вазодилататором. Соответственно, если уровень углекислого газа в ткани или в крови повышается (например, вследствие интенсивного метаболизма — вызванного, скажем, физической нагрузкой, воспалением, повреждением тканей, или вследствие затруднения кровотока, ишемии ткани), то капилляры расширяются, что приводит к увеличению кровотока и соответственно к увеличению доставки к тканям кислорода и транспорта из тканей накопившейся углекислоты. Кроме того, углекислый газ в определённых концентрациях (повышенных, но ещё не достигающих токсических значений) оказывает положительное инотропное и хронотропное действие на миокард и повышает его чувствительность к адреналину, что приводит к увеличению силы и частоты сердечных сокращений, величины сердечного выброса и, как следствие, ударного и минутного объёма крови. Это также способствует коррекции тканевой гипоксии и гиперкапнии (повышенного уровня углекислоты).

Ионы гидрокарбоната очень важны для регуляции pH крови и поддержания нормального кислотно-щелочного равновесия. Частота дыхания влияет на содержание углекислого газа в крови. Слабое или замедленное дыхание вызывает респираторный ацидоз, в то время как учащённое и чрезмерно глубокое дыхание приводит к гипервентиляции и развитию респираторного алкалоза.

Кроме того, углекислый газ также важен в регуляции дыхания. Хотя наш организм требует кислорода для обеспечения метаболизма, низкое содержание кислорода в крови или в тканях обычно не стимулирует дыхание (вернее, стимулирующее влияние нехватки кислорода на дыхание слишком слабо и «включается» поздно, при очень низких уровнях кислорода в крови, при которых человек нередко уже теряет сознание). В норме дыхание стимулируется повышением уровня углекислого газа в крови. Дыхательный центр гораздо более чувствителен к повышению уровня углекислого газа, чем к нехватке кислорода. Как следствие этого, дыхание сильно разрежённым воздухом (с низким парциальным давлением кислорода) или газовой смесью, вообще не содержащей кислорода (например, 100 % азотом или 100 % закисью азота) может быстро привести к потере сознания без возникновения ощущения нехватки воздуха (поскольку уровень углекислоты в крови не повышается, ибо ничто не препятствует её выдыханию). Это особенно опасно для пилотов военных самолётов, летающих на больших высотах (в случае попадания вражеской ракеты в кабину самолёта и разгерметизации кабины, пилоты могут быстро потерять сознание). Эта особенность системы регуляции дыхания также является причиной того, почему в самолётах стюардессы инструктируют пассажиров в случае разгерметизации салона самолёта в первую очередь надевать кислородную маску самим, прежде чем пытаться помочь кому-либо ещё — делая это, помогающий рискует быстро потерять сознание сам, причём даже не ощущая до последнего момента какого-либо дискомфорта и потребности в кислороде[7].

Дыхательный центр человека пытается поддерживать парциальное давление углекислого газа в артериальной крови не выше 40 мм ртутного столба. При сознательной гипервентиляции содержание углекислого газа в артериальной крови может снизиться до 10-20 мм ртутного столба, при этом содержание кислорода в крови практически не изменится или увеличится незначительно, а потребность сделать очередной вдох уменьшится как следствие уменьшения стимулирующего влияния углекислого газа на активность дыхательного центра. Это является причиной того, почему после некоторого периода сознательной гипервентиляции легче задержать дыхание надолго, чем без предшествующей гипервентиляции. Такая сознательная гипервентиляция с последующей задержкой дыхания может привести к потере сознания до того, как человек ощутит потребность сделать вдох. В безопасной обстановке такая потеря сознания ничем особенным не грозит (потеряв сознание, человек потеряет и контроль над собой, перестанет задерживать дыхание и сделает вдох, дыхание, а вместе с ним и снабжение мозга кислородом, восстановится, а затем восстановится и сознание). Однако в других ситуациях, например, перед нырянием, это может быть опасным (потеря сознания и потребность сделать вдох наступят на глубине, и в отсутствие сознательного контроля в дыхательные пути попадёт вода, что может привести к утоплению). Именно поэтому гипервентиляция перед нырянием опасна и не рекомендуется.

В промышленных количествах углекислота выделяется из дымовых газов, или как побочный продукт химических процессов, например, при разложении природных карбонатов (известняк, доломит) или при производстве алкоголя (спиртовое брожение). Смесь полученных газов промывают раствором карбоната калия, которые поглощают углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В современных установках получения углекислого газа вместо гидрокарбоната чаще применяется водный раствор моноэтаноламина, который при определённых условиях способен абсорбировать СО₂, содержащийся в дымовом газе, а при нагреве отдавать его; таким образом отделяется готовый продукт от других веществ.

Также углекислый газ получают на установках разделения воздуха как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона.

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора, мела или соды с соляной кислотой, используя, например, аппарат Киппа. Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который мешает реакции, и который удаляется значительным избытком кислоты.

Для приготовления напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.

В пищевой промышленности углекислота используется как консервант и разрыхлитель, обозначается на упаковке кодом Е290.

Жидкая углекислота широко применяется в системах пожаротушения и в огнетушителях. Автоматические углекислотные установки для пожаротушения различаются по системам пуска, которые бывают пневматическими, механическими или электрическими[8]. Устройство для подачи углекислого газа в аквариум может включать в себя резервуар с газом. Простейший и наиболее распространенный метод получения углекислого газа основан на конструкции для изготовления алкогольного напитка браги. При брожении, выделяемый углекислый газ вполне может обеспечить подкормку аквариумных растений[9]

Углекислый газ используется для газирования лимонада и газированной воды. Углекислый газ используется также в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его диссоциация с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.

Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии (в газобаллонной пневматике) и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.

Хранение углекислоты в стальном баллоне в сжиженном состоянии выгоднее, чем в виде газа. Углекислота имеет сравнительно низкую критическую температуру +31°С. В стандартный 40-литровый баллон заливают около 30 кг сжиженного углекислого газа, и при комнатной температуре в баллоне будет находиться жидкая фаза, а давление составит примерно 6 МПа (60 кгс/см²). Если температура будет выше +31°С, то углекислота перейдёт в сверхкритическое состояние с давлением выше 7,36 МПа. Стандартное рабочее давление для обычного 40-литрового баллона составляет 15 МПа (150 кгс/см²), однако он должен безопасно выдерживать давление в 1,5 раза выше, то есть 22,5 МПа,— таким образом, работа с подобными баллонами может считаться вполне безопасной.

Твёрдая углекислота — «сухой лёд» — используется в качестве хладагента в лабораторных исследованиях, в розничной торговле, при ремонте оборудования (например: охлаждение одной из сопрягаемых деталей при посадке внатяг) и т. д. Для сжижения углекислого газа и получения сухого льда применяются углекислотные установки.

Методы регистрации[править]

Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях — анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO2 в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта. Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем. Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф. Для измерения низких концентраций CO2 (а также CO) в технологических газах или в атмосферном воздухе можно использовать газохроматографический метод с метанатором и регистрацией на пламенно-ионизационном детекторе[10].

Углекислый газ в природе[править]

Ежегодные колебания концентрации атмосферной углекислоты на планете определяются, главным образом, растительностью средних (40—70°) широт Северного полушария.

Вегетация в тропиках практически не зависит от сезона, сухой пояс пустынь 20—30° (обоих полушарий) дает малый вклад в круговорот углекислоты, а полосы суши, наиболее покрытые растительностью, расположены на Земле асимметрично (в Южном полушарии в средних широтах находится океан). Поэтому с марта по сентябрь вследствие фотосинтеза содержание СО2 в атмосфере падает, а с октября по февраль — повышается. Вклад в зимний прирост дают как окисление древесины (гетеротрофное дыхание растений, гниение, разложение гумуса, лесные пожары), так и сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа), заметно увеличивающееся в зимний сезон[11].

Большое количество углекислоты растворено в океане.

Углекислый газ составляет значительную часть атмосфер некоторых планет Солнечной системы: Венеры, Марса.

Углекислый газ нетоксичен, но по воздействию его повышенных концентраций в воздухе на воздуходышащие живые организмы его относят к удушающим газам (англ.)русск.. Незначительные повышения концентрации до 2—4 % в помещениях приводят к развитию у людей сонливости и слабости. Опасными концентрациями считаются уровни около 7—10 %, при которых развивается удушье, проявляющее себя в головной боли, головокружении, расстройстве слуха и в потере сознания (симптомы, сходные с симптомами высотной болезни), в зависимости от концентрации, в течение времени от нескольких минут до одного часа. При вдыхании воздуха с высокими концентрациями газа смерть наступает очень быстро от удушья[12].

Хотя, фактически, даже концентрация 5—7 % CO2 не смертельна, уже при концентрации 0,1 % (такое содержание углекислого газа наблюдается в воздухе мегаполисов) люди начинают чувствовать слабость, сонливость. Это показывает, что даже при высоких содержаниях кислорода большая концентрация CO2 сильно влияет на самочувствие

Вдыхание воздуха с повышенной концентрацией этого газа не приводит к долговременным расстройствам здоровья и после удаления пострадавшего из загазованной атмосферы быстро наступает полное восстановление здоровья[13].

1. ↑ Trends in Atmospheric Carbon Dioxide (англ.). National Oceanic and Atmospheric Administration. Проверено 24 сентября 2013.
2. ↑ А. С. Егоров. Репетитор по химии — Ростов-на-Дону: «Феникс», 2009
3. ↑ How much carbon dioxide do humans contribute through breathing?. Проверено 30 апреля 2009. Архивировано из первоисточника 2 февраля 2011.
4. ↑ Charles Henrickson. Chemistry. — Cliffs Notes, 2005. — ISBN 0-7645-7419-1.
5. ↑ 5,05,15,25,3 Пересчитано из значений в мм.рт.ст. с использованием коэффициента пересчёта 0.133322 кПа/мм.рт.ст.
6. ↑ 6,06,1 Таблица референсных значений. Юго-Западный медицинский центр при Университете Далласа.
7. ↑ 7,07,17,27,3 Carbon dioxide. solarnavigator.net. Проверено 12 октября 2007.
8. ↑ Углекислотная установка для аквариума
9. ↑ Большая Энциклопедия Нефти и Газа
10. ↑ ГОСТ 31371.6-2008 (ИСО 6974-6:2002). Газ природный. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА МЕТОДОМ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ С ОЦЕНКОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ. Часть 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОРОДА, ГЕЛИЯ, КИСЛОРОДА, АЗОТА, ДИОКСИДА УГЛЕРОДА И УГЛЕВОДОРОДОВ C1 — C8 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРЕХ КАПИЛЛЯРНЫХ КОЛОНОК.
11. ↑ А. В. Бялко. Растения убыстряют рост. «Природа». No 10, 1996. (по Keeling C.D., Whorf Т.P., Wahlen M., van der Plicht J. // Nature. 1995. V. 375, № 6533. P.666-670)
12. ↑  (англ.) Carbon Dioxide as a Fire Suppressant: Examining the Risks, U.S. Environmental Protection Agency:.
13. ↑  (англ.) Glatte Jr H. A., Motsay G. J., Welch B. E. (1967). «Carbon Dioxide Tolerance Studies». Brooks AFB, TX School of Aerospace Medicine Technical Report SAM-TR-67-77. Проверено 2008-05-02.

• Вукалович М. П., Алтунин В. В. Теплофизические свойства двуокиси углерода. — М.: Атомиздат, 1965. — 456 с.
• Тезиков А. Д. Производство и применение сухого льда. — М.: Госторгиздат, 1960. — 86 с.
• Гродник М. Г., Величанский А. Я. Проектирование и эксплуатация углеслотных установок. — М.: Пищевая промышленность, 1966. — 275 с.
• Талянкер Ю. Е. Особенности хранения баллонов со сжиженным газом // Сварочное производство. — 1972. — № 11.

auto.wiki-wiki.ru

---

• 
  Углекислый газ википедия
• 
  Технология сварочных работ
• 
  Технология сварочных работ
• 
  Технология резки металла
• 
  Технология резки металла
• 
  Ножницы насадка стальной бобер для резки металла
• 
  Ножницы насадка стальной бобер для резки металла
• 
  Как сделать своими руками ленточную пилу
• 
  Как сделать своими руками ленточную пилу
• 
  Когенерационная установка для дома
• 
  Когенерационная установка для дома