Углеродный цикл и изменения климата

1. Растворимость [pic] в морской воде и соот-ветственно концентрация

суммарного углерода, находящегося в равновесии с атмосферным [pic] при

заданном значении концентрации послед-него, зависят от температуры.

2. Обмен [pic] между газовой фазой и раствором зависит от так называемого

буферного фактора, который также называют фактором Ревелла.

Растворимость и буферный фактор увеличиваются при понижении температуры.

Так как изменение парци-ального давления углекислого газа в направлении от

полюса к экватору невелико, в среднем [pic] переносится из атмосферы в

океан в высоких ши-ротах и в противоположном направлении в низких. Буферный

фактор имеет величину порядка 10 и увеличивается с ростом значений [pic].

Это означает, что [pic] чувствительно к довольно малым изменениям [pic] в

воде. При сохранении равновесия в системе ат-мосфера - поверхностные воды

океана изменение концентрации [pic] в атмосфере примерно на 25% в течение

последних 100 лет вызовет изменение содержания суммарного расворённого

неорганичес-кого углерода в поверхностных водах только на 2-2,5%. Таким

образом, способность океана поглощать избыточный атмосферный [pic] в 10 раз

меньше той, которую можно было бы ожидать исходя из сравнения размеров

природных резервуаров углерода.

Углерод в морской воде.

Полное содержание углерода и щёлочность.

Как показали исследования, содержание сум-марного неорганического

углерода в океане в 1983 году более, чем в 50 раз превышало содержание

[pic] в атмосфере. Кроме того, в океане находятся зна-чительные количества

растворённого органического углерода. Вертикальное распределение [pic] не

явля-ется однородным, его концентрации в глубинных слоях океана выше, чем в

поверхностных. На-блюдается также увеличение концентрации [pic] от довольно

низких значений в глубинных водах Се-верного Ледовитого океана к более

высоким зна-чениям в глубинных водах Атлантического океана, к ещё более

высоким в Южном и Индийском океанах до максимальных в Тихом океане.

Вертикальное распре-деление щёлочности очень похоже на распределение [pic],

однако пределы изменений щёлочности значи-тельно меньше и составляют

примерно 30% изменений [pic]. Интересно отметить, что поверхностные концент-

рации [pic] были бы на примерно на 15% выше, если бы океаны были хорошо

перемешаны, что в свою очередь означало бы, что концентрация [pic] в

атмосфере должна быть около 700 млн[pic]. Наличие вертикальных градиендов

[pic](так же как и щёлочности) в океанах оказывает существенное влияние на

концентрации атмосферного [pic].

Фотосинтез, разложение и растворение

органического вещества.

Деятельность морской биоты практически пол-ностью ограничена

поверхностными слоями океана, где происходит интенсивный фотосинтез. В про-

цессе образования первичной продукции, включающей как органические, так и

неорганические соединения углерода, концентрация [pic] уменьшается. Влияние

этого процесса на щёлочность может быть различным.Несомненно, что

увеличение концентрации атмосферного [pic] создаёт поток [pic] из атмосферы

в океан, который в свою очередь должен был изменить доиндустриальное

распределение [pic] в верхних слоях океана.

Ежегодно около [pic]г С откладывается на дне океана, часть этих

отложений представляет собой органический углерод, а другая часть - [pic].

Органический углерод является основным источником энергии для организмов,

обитающих на дне моря, и только малая его часть захороняется в осадках,

исключение составляют прибрежные зоны и шельфы. В некоторых ограниченных

областях (например, в некоторых районах Балтийского моря) содержание

кислорода в придонных водах может быть очень низким, соответственно

уменьшается скорость окис-ления и значительные количества органического уг-

лерода захороняются в осадках. Области с бес-кислородными условиями

увеличиваются вследствие загрязнения прибрежных вод, и в последние годы,

вероятно, количество легко окисляемого органичес-кого вещества также

увеличилось.

Вследствие буферных свойств карбонатной системы, изменение

концентрации [pic] растворённого суммарного неорганического углерода в

морской воде, необходимое для достижения состояния рав-новесия с

возрастающей концентрацией атмосферного углекислого газа, мало, и

равновесное состояние между атмосферным и растворённым в поверхностных

водах [pic] устанавливается быстро. Роль океана в глобальном углеродном

цикле определяется главным образом скоростью обмена вод в океане.

Поверхностные слои океана довольно хорошо перемешаны вплоть до

верхней границы термоклина, т.е. до глубины около 75 м в области широт

примерно 45[pic]с. - 45[pic]ю. В более высоких широтах зимнее охлаждение

вод приводит к перемешиванию до значительно больших глубин, а в

ограниченных областях и в течение коротких интервалов времени перемешивание

вод распространяется до дна океанов (как, например, в Гренландском море и

море Уэд-делла). Кроме того, из областей основных течений в широтном поясе

45-55[pic] (Гольфстрим в Северной Атлантике, Куросио в северной части

Тихого океана и Антарктическое циркумполярное течение) про-исходит

крупномасштабный перенос холодных поверхностных вод в область главного

термоклина (глубина 100-1000 м). В слое термоклина про-исходит также

вертикальное перемешивание. Оба процесса играют важную роль при переносе

углерода в океане.

Между углекислым газом в атмосфере и растворённым неорганическим

углеродом в поверхностных слоях морской воды равновесие устанавливается

примерно в течение года (если пренебречь сезонными изменениями).

Растворённый неорганический углерод переносится вместе с водными массами из

поверхностных вод в глубинные слои океана. Возникающее в результате

увеличение содержания суммарного растворённого неоргани-ческого углерода

можно вычислить, принимая во внимание сопутствующий рост содержания пита-

тельных веществ и щёлочности. Однако, таким спо-собом нельзя достаточно

точно определить значения концентрации [pic] для времени, когда происходило

образование глубинных вод. При поглощении ант-ропогенного [pic] океаном

поток растворённого не-органического углерода из глубинных слоёв к по-

верхностным уменьшается из-за повышения кон-центрации [pic] в поверхностных

слоях океана, но при этом направленный вниз поток детрита остаётся не-

изменным. Справедливость этого предположения под-тверждает тот факт, что

первичная продуктивность в поверхностном слое океана обычно лимитируется

наличием питательных веществ.

Автор статьи, использованной в качестве основы для написания этого

реферата, проанализировал некоторые из этих возможных факторов и показал,

что при определённых условиях в поверхностных слоях океана могут

наблюдаться более низкие значения концентраций растворённого неорганичес-

кого углерода по сравнению с современными, соответственно концентрации

атмосферного [pic] будут также другими.

При оценках возможных значений концентраций атмосферного [pic] в будущем

обычно считают, что об-щая циркуляция океанов не будет изменятся. Однако

несомненно, что в прошлом она менялась. Если по-тепление, вызванное ростом

концентрации [pic] в ат-мосфере, будет значительным, то, вероятно, про-

изойдёт какое-то изменение циркуляции океана. В частности, может

уменьшиться интенсивность обра-зования холодных глубинных вод, что в свою

оче-редь может привести к уменьшению поглощения промышленного [pic]

океаном.

Изменение круговорота углерода могло бы произойти также при

увеличении суммарного количества питательных веществ в океане. Если наличие

питательных веществ в поверхностных слоях по-прежнему будет основным

фактором, лимитирующим фотосинтез, их концентрации в этих слоях должны быть

очень низкими. Следовательно, должна увели-чится концентрация питательных

веществ между обеднёнными этими веществами поверхностными вода-ми и

глубинными слоями. В этом случае за счёт вертикального перемешивания в

океане в поверх-ностные слои будет переноситься больше пита-тельных

веществ, что приведёт к росту интен-сивности фотосинтеза. Вертикальный

градиент концентрации [pic] также возрастёт, а поверхностные значения [pic]

и парциальное давление [pic] при этом уменьшатся.

Для грубой оценки возможного роста первичной продуктивности в водных

системах можно считать, что в процессе фотосинтеза используется 20-50 %

имеющегося количества фосфатов и что образованное таким образом

органическое вещество становится частью углеродного цикла в океане или

захоро-няется в отложениях. Такое изменение продук-тивности приведёт к

удалению из атмосферы и по-верхностных слоёв водных систем [pic] г. С/год.

Это количество соответствует 2-6 % годового выброса углерода в атмосферу за

счёт сжигания ископаемого топлива в 1972 году, поэтому данный процесс

нельзя не учитывать при построении моделей изменения глобального климата.

Углерод в континентальной биоте

и в почвах.

В течение последних 20 лет были предприняты многочисленные попытки

определения запасов уг-лерода в континентальной растительности и харак-

теристик его годового круговорота - общей пер-вичной продуктивности и

дыхания. Оценка, харак-теризующая состояние континентальной биомассы на

1980 год без учёта сухостоя, равна [pic] г С. В более поздних работах,

основанных на большем количестве данных, указывается, что эта оценка

содержания углерода в живом веществе биомассы скорее всего завышена.

Среднее время пребывания углерода в лесных системах составляет 16-20

лет, но средний возраст деревьев по крайней мере в два раза больше, так как

менее половины чистой первичной продукции превращается в целлюлозу. Среднее

время жизни уг-лерода в растениях, не входящих в лесные системы, равно

примерно 3 годам.

По разным оценкам, суммарное содержание углерода в составляет около

[pic] г С. Главная неопределённость существующих оценок обусловлена

недостаточной полнотой сведений о площадях и содержании углерода в

торфяниках планеты.

Изменения содержания углерода в

континентальных экосистемах.

За последние 200 лет произошли значительные изменения в

континентальных экосистемах в ре-зультате возрастающего антропогенного

воздейст-вия. Когда земли, занятые лесами и травянистыми сообществами,

превращаются в сельскохозяйственные угодья, органическое вещество, т.е.

живое вещест-во растений и мёртвое органическое вещество почв, окисляется и

поступает в атмосферу в форме [pic]. Какое-то количество элементарного

углерода может также захораниваться в почве в виде древесного угля (как

продукт, оставшийся от сжигания леса) и, таким образом, изыматься из

быстрого оборота в углеродном цикле. Содержание углерода в различных

компонентах экосистем изменяется, поскольку восстановление органического

вещества зависит от географической широты и типа растительности.

Были проведены многочисленные исследования, имевшие своей целью

разрешить существующую не-определённость в оценке изменений запасов угле-

рода в континентальных экосистемах. Основываясь на данных этих

исследований, можно прийти к вы-воду о том, что поступление [pic] в

атмосферу с 1860 по 1990 год составило [pic] г С и что в 1990 году

биотический выброс углерода был равен [pic] г С/год. Кроме того, возможно

влияние возрастающих атмосферных концентраций [pic] и выб-росов

загрязняющих веществ, таких, как [pic] и [pic], на интенсивность

фотосинтеза органического ве-щества континентальных экосистем. По-

видимому, интенсивность фотосинтеза растёт с увеличением концентрации [pic]

в атмосфере. Наиболее вероятно, что этот рост характерен для

сельскохозяйственных культур, а в естественных континентальных эко-системах

повышение эффективности использования воды могло бы привести к ускорению

образования органического вещества.

Прогнозы концентрации углекислого

газа в атмосфере на будущее.

Основные выводы.

За последние десятилетия было создано боль-шое количество моделей

глобального углеродного цикла, рассматреть которые в данной работе я не

смог из-за того, что они сложны и объёмны. Рассмотрю лишь кратко основные

их выводы. Раз-личные сценарии, использованные для прогноза со-держания

[pic] в атмосфере в будущем, дали сходные результаты. Ниже я попытался

подвести общий итог, касающихся проблемы антропогенного изменения кон-

центрации [pic] в атмосфере.

1. С 1860 по 1984 год в атмосферу поступило [pic] г С за счёт сжигания

ископаемого топ-лива, скорость выброса [pic] в настоящее время (по

данным на 1990 год) равна [pic] г С/год.

2. В течение этого же периода времени поступление [pic] в атмосферу за

вырубки лесов и изменения характера землепользования составило [pic] г

С, интенсивность этого поступления в нас-тоящее время равна [pic] г

С/год.

3. С середины прошлого века концентрация [pic] в атмосфере увеличилась от

[pic] до [pic] млн[pic] в 1990 году.

4. Основные характеристики глобального углеродного цикла хорошо изучены.

Стало возможным создание количественных моделей, которые могут быт

положены в основу прогнозов роста концентрации [pic] в атмосфере при

использовании определённых сценариев выброса.

5. Если интенсивность выбросов [pic] в атмосферу в течение ближайших

четырёх десятилетий останется постоянной или будет возрастать очень

медленно (не более 0,5% в год) и в более отдалённом бу-дущем также будет

расти очень медленно, то к концу XXI века концентрация атмосферного

[pic] составит около 440 млн[pic], т.е. не более, чем на 60% превысит

доиндустриальный уровень.

6. Если интенсивность выбросов [pic] в течение бли-жайших четырёх

десятилетий будет возрастать в среднем на 1-2 % в год, т.е. также, как

она возрастала с 1973 года до настоящего времени, а в более отдалённом

будущем темпы её роста за-медлятся, то удвоение содержания [pic] в атмо-

сфере по сравнению с доиндустриальным уровнем произойдёт к концу XXI

века.

7. Основные неопределённости прогнозов концент-рации [pic] в атмосфере

вызваны недостаточным знанием роли таких факторов,как:

8. скорости водообмена между поверхностными, промежуточными и

глубинными слоями океана;

9. чувствительности морской первичной продукции к изменениям

содержания пита-тельных веществ в поверхностных водах;

10. захоронения органического вещества в осад-ках в прибрежных районах

(и озёрах);

11. изменение щёлочности, и, следовательно, буферного фактора морской

воды, вызванных ростом содержания растворённого неоргани-ческого

углерода;

12. увеличения интенсивности фотосинтеза и рос-та биомассы и почвенного

органического ве-щества в континентальных экосистемах за счёт роста

концентрации [pic] в атмосфере и возможного отложения питательных

веществ, поступающих из антропогенных источников;

13. увеличения скорости разложения органичес-кого вещества почв,

особенно в процессе эксплуатации лесов;

14. образование древесного угля в процессе го-рения биомассы.

Величина ожидаемого изменения средней гло-бальной температуры при

удвоении концентрации [pic] приблизительно соответствует величине её изме-

нения при переходе от последнего ледникового пе-риода к современному

межледниковью. Более уме-ренное потребление ископаемого топлива в течение

ближайших десятилетий могло бы продлить воз-можность его использования на

более отдалённую перспективу. В этом случае концентрация [pic] в ат-мосфере

не достигнет удвоенного значения по срав-нению с доиндустриальным уровнем.

Проблема изменения климата в результате эмиссии парниковых газов

должна рассматриваться как одна из самых важных современных проблем,

связанных с долгосрочными воздействиями на окружающую среду, и

рассматривать её нужно в со-вокупности с другими проблемами, вызванными ант-

ропогенными воздействиями на природу.

Список литературы.

1. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. / Под редакцией Б.

Болина, Б. Р. Десса, Дж. Ягера, Р. Уоррика. / Ленинград, Гидрометеоиздат

- 1989.

2. “Земля и Вселенная”, 2-93: “Углекислый газ и климатические изменения” –

С.А.Щепинов

3. “Земля и Вселенная”, 1-95: “Экологические следствия начавшегося

глобального потепления Земли” – А.Л.Яншин

Страницы: 1, 2