Реферат: Углеродный цикл и изменения климата

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

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

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

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

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

Введение.

Деятельность человека достигла уже такого уровня развития, при котором её влияние на природу приобретает глобальный характер. Природные системы - атмосфера, суша, океан, - а также жизнь на планете в целом подвергаются этим воздействиям. Известно, что на протяжении последнего столетия увеличивалось содержание в атмосфере некоторых газовых составляющих, таких, как двуокись углерода (), закись азота (), метан () и тропосферный озон (). Дополнительно в атмосферу поступали и другие газы, не являющиеся естественными компонентами глобальной экосистемы. Главные из них - фторхлоруглеводороды. Эти газовые примеси поглощают и излучают радиацию и поэтому способны влиять на климат Земли. Все эти газы в совокупности можно назвать парниковыми.

Представление о том, что климат мог меняться в результате выброса в атмосферы двуокиси углерода, появилось не сейчас. Аррениус указал на то, что сжигание ископаемого топлива могло привести к увеличению концентрации атмосферного и тем самым изменить радиационный баланс Земли. В настоящие время мы приблизительно известно, какое количество поступило в атмосферу за счёт сжигания ископаемого топлива и изменений в использовании земель (сведения лесов и расширения сельскохозяйственных площадей), и можно связать наблюдаемое увеличение концентрации атмосферного с деятельностью человека.

Механизм воздействия на климат заключается в так называемом парниковом эффекте. В то время как для коротковолновой солнечной радиации прозрачен, уходящую от земной поверхности длинноволновую радиацию этот газ поглощает и переизлучает поглощённую энергию по всем направлениям. Вследствие этого эффекта увеличение концентрации атмосферного приводит к нагреву поверхности Земли и нижней атмосферы. Продолжающийся рост концентрации в атмосфере может привести к изменению глобального климата, поэтому прогноз будущих концентраций углекислого газа является важной задачей.

Поступление углекислого газа в атмосферу в результате промышленных выбросов.

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

Основным антропогенным источником выбросов является сжигание всевозможных видов углеродосодержащего топлива. В настоящее время экономическое развитие обычно связывается с ростом индустриализации. Исторически сложилось, что подъём экономики зависит от наличия доступных источников энергии и количества сжигаемого ископаемого топлива. Данные о развитии экономики и энергетики для большинства стран за период 1860-1973 гг. Свидетельствуют не только об экономическом росте, но и о росте энергопотребления. Тем не менее одно не является следствием другого. Начиная с 1973 года во многих странах отмечается снижение удельных энергозатрат при росте реальных цен на энергию. Недавнее исследование промышленного использования энергии в США показало, что начиная с 1920 года отношение затрат первичной энергии к экономическому эквиваленту производимых товаров постоянно уменьшалось. Более эффективное использование энергии достигается в результате совершенствования промышленной технологии, транспортных средств и проектирования зданий. Кроме того, в ряде промышленно развитых стран произошли сдвиги в структуре экономики, выразившиеся в переходе от развития сырьевой и перерабатывающей промышленности к расширению отраслей, производящих конечный продукт.

Минимальный уровень потребления энергии на душу населения, необходимый в настоящее время для удовлетворения нужд медицины, образования и рекреации, значительно меняется от региона к региону и от страны к стране. Во многих развивающихся странах значительный рост потребления высококачественных видов топлива на душу населения является существенным фактором для достижения более высокого уровня жизни. Сейчас представляется вероятным, что продолжение экономического роста и достижение желаемого уровня жизни не связаны с уровнем энергопотребления на душу населения, однако этот процесс ещё недостаточно изучен.

Можно предположить, что до достижения середины следующего столетия экономика большинства стран сумеет приспособиться к повышенным ценам на энергию, уменьшая потребности в рабочей силе и в других видах ресурсов, а также увеличивая скорость обработки и передачи информации или, возможно, изменяя структуру экономического баланса между производством товаров и предоставлением услуг. Таким образом, от выбора стратегии развития энергетики с той или иной долей использования угля или ядерного топлива в энергетической системе будет непосредственно зависеть скорость промышленных выбросов .

Потребление энергии и выбросы углекислого газа.

Энергия не производится ради самого производства энергии. В промышленно развитых странах основная часть вырабатываемой энергии приходится на промышленность, транспорт, обогрев и охлаждение зданий. Во многих недавно выполненных исследованиях показано, что современный уровень потребления энергии в промышленно развитых станах может быть существенно снижен за счёт применения энергосберегающих технологий. Так, было рассчитано, что если бы США перешли бы при производстве товаров широкого потребления и в сфере услуг на наименее энергоёмкие из уже имеющихся технологий при том же объёме производства, то количество поступающего в атмосферу уменьшилось бы на 25%. Результирующее уменьшение выбросов в целом по земному шару при этом составило бы 7%. Подобный эффект имел бы место и в других промышленно развитых странах. Дальнейшего снижения скорости поступления в атмосферу можно достичь путём изменения структуры экономики в результате внедрения более эффективных методов производства товаров и усовершенствований в сфере предоставления услуг населению.

Углерод в природе.

Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Химические превращения органических веществ связаны со способностью атома углерода образовывать длинные ковалентные цепи и кольца. Биогеохимический цикл углерода, естественно, очень сложный, так как он включает не только функционирование всех форм жизни на Земле, но и перенос неорганических веществ как между различными резервуарами углерода, так и внутри них. Основными резервуарами углерода являются атмосфера, континентальная биомасса, включая почвы, гидросфера с морской биотой и литосфера. В течение последних двух столетий в системе атмосфера - биосфера - гидросфера происходят изменения потоков углерода, интенсивность которых примерно на порядок величины превышает интенсивность геологических процессов переноса этого элемента. По этой причине следует ограничиться анализом взаимодействий в пределах этой системы, включая почвы.

Основные химические соединения и реакции.

Известно более миллиона углеродных соединений, тысячи из которых участвуют в биологических процессах. Атомы углерода могут находиться в одном из девяти возможных состояний окисления: от +IV до -IV. Наиболее распространённое явление - это полное окисление, т.е. +IV, примерами таких соединений могут служить и . Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме (), а в литосфере - в виде минералов. Примером состояния окисления +II является малая газовая составляющая атмосферы , которая довольно быстро окисляется до .Элементарный угрерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля. Ассимиляция углерода в процессе фотосинтеза приводит к образованию восстановленного углерода, который присутствует в биоте, мёртвом органическом веществе почвы, в верхних слоях осадочных пород в виде угля, нефти и газа, захоронённых на больших глубинах, и в литосфере - в виде рассеянного недоокисленного углерода. Некоторые газообразные соединения, содержащие недоокисленный углерод , в частности метан, поступают в атмосферу при восстановлении веществ, происходящем в анаэробных процессах. Хотя при бактериальном разложении образуется несколько различных газообразных соединений, они быстро окисляются, и можно считать, что в систему поступает . Исключением является метан, поскольку он также влияет на парниковый эффект. В океанах содержится значительное количество растворённых соединений органического углерода, процессы окисления которых до известны ещё недостаточно хорошо.

Изотопы углерода.

В природе известно семь изотопов углерода, из которых существенную роль играют три. Два из них - и - являются стабильными, а один - - радиоактивным с периодом полураспала 5730 лет. Необходимость изучения различных изотопов углерода обусловлена тем, что скорости переноса соединений углерода и условия равновесия в химических реакциях зависят от того, какие изотопы углерода содержат эти соединения. По этой причине в природе наблюдается различное распределение стабильных изотопов углерода. Распределение же изотопа , с одной стороны, зависит от его образования в ядерных реакциях с участием нейтронов и атомов азота в атмосфере, а с другой - от радиоактивного распада.

Углерод в атмосфере.

Атмосферный углекислый газ.

Тщательные измерения содержания атмосферного были начаты в 1957 году Киллингом в обсерватории Мауна-Лоа. Регулярные измерения содержания атмосферного проводятся также на ряде других станций. Из анализа наблюдений можно заключить, что годовой ход концентрации обусловлен в основном сезонными изменениями цикла фотосинтеза и деструкции растений на суше; на него также влияет, хотя и меньшей степени, годовой ход температуры поверхности океана, от которого зависит растворимость в морской воде. Третьим, и , вероятно, наименее важным фактором является годовой ход интенсивности фотосинтеза в океане. Среднее за каждый данный год содержание в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники антропогенного поступления расположены преимущественно в северном полушарии. Кроме того, наблюдаются небольшие межгодовые изменения содержания , которые, вероятно, определяются особенностями общей циркуляции атмосферы. Из имеющихся данных по изменению концентрации в атмосфере основное значение имеют данные о наблюдаемом в течение последних 25 лет регулярном росте содержания атмосферного . Более ранние измерения содержания атмосферного углекислого газа (начиная с середины прошлого века) были, как правило, недостаточно полны. Образцы воздуха отбирались без необходимой тщательности и не производилась оценка погрешности результатов. С помощью анализа состава пузырьков воздуха из ледниковых кернов стало возможным получить данные для периода с 1750 по 1960 год. Было также выявлено, что определённые путём анализа воздушных включений ледников значения концентраций атмосферного для 50-х годов хорошо согласуются с данными обсерватории Мауна-Лоа. Концентрация в течение 1750-1800 годов оказалась близкой к значению 280 млн, после чего она стала медленно расти и к 1984 году составляла 3431 млн.

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

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

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

Количество изотопа на Земле зависит от баланса между образованием под воздействием космического излучения и его радиоактивным распадом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной и промышленной революции распределение изотопа в различных резервуарах углерода сохранялось примерно неизменным. До начала заметных изменений, вызванных выбросами при испытаниях ядерного оружия, с начала прошлого века до середины текущего происходило уменьшение содержания . Оно было главным образом вызвано выбросом за счёт сжигания ископаемого топлива, в котором не содержится радиоактивный изотоп . Это привело к уменьшению содержания в атмосфере. Начиная с первых испытаний ядерного оружия в 1952 и 1954 годах наблюдались существенные изменения содержания в атмосферном углекислом газе. Большое поступление в атмосферу произошло в результате ядерных испытаний, проведённых США в Тихом океане в 1958 году и СССР в 1961-1962 годах. После этого выбросы были заметно ограничены. Первоначально большая часть радиоактивных продуктов переносилась в стратосферу. Поскольку время обмена между стратосферой и атмосферой составляет несколько лет, то уменьшение концентрации изотопа в тропосфере, обусловленное взаимодействием с континентальной биотой и океанами, начиная с 1965 года происходило более медленно за счёт поступления этого изотопа из стратосферы.

Перемешивание в атмосфере.

Перемешивание воздуха в тропосфере происходит довольно быстро. Пассаты в средних широтах в обоих полушариях огибают Землю в среднем примерно за один месяц, вертикальное перемещение между земной поверхностью и тропопаузой (на высоте от 12 до 16 км) также происходит в течение месяца, перемешивание в направлении с севера на юг в пределах полушария происходит приблизительно за три месяца, а эффективный обмен между двумя полушариями осуществляется примерно за год. Поскольку в данной работе рассматриваются процессы, изменения которых происходят за время порядка нескольких лет, десятилетий и столетий, можно считать, что тропосфера в любой момент времени хорошо перемешана. Это предположение основано на том, что средние годовые значения концентрации для высоких северных и высоких южных широт отличаются только на 1,5-2,0 млн. В северном полушарии концентрация выше, чем в южном. Различие концентраций в северном и южном полушариях, вероятно, вызвано тем, что около 90% источников промышленных выбросов расположено в северном полушарии. За последние десятилетия эта разница увеличилась, поскольку потребление ископаемого топлива также возросло.

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

Газообмен в системе атмосфера - океан.

Скорость газообмена.

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

Буферные свойства карбонатной системы.

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

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

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

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

Углерод в морской воде.

Полное содержание углерода и щёлочность.

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

Фотосинтез, разложение и растворение органического вещества.

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