> Концентрация углекислого газа
Ученые уже давно подозревают, что повышенная концентрация углекислого газа в атмосфере имеет прямое отношение к глобальному потеплению, но, как оказалось, углекислый газ может иметь непосредственное отношение и к нашему здоровью. Человек является основным источником образования углекислого газа в помещении, поскольку мы выдыхаем от 18 до 25 литров этого газа в час. Высокий объем углекислого газа может наблюдаться во всех помещениях, где находятся люди: в школьных классах и институтских аудиториях, в комнатах для совещаний и офисных помещениях, в спальнях и детских комнатах.
То, что нам не хватает кислорода в душном помещении, – это миф. Расчеты показывают, что вопреки существующему стереотипу, головная боль, слабость, и другие симптомы возникают у человека в помещении не от недостатка кислорода, а именно от высокой концентрации углекислого газа.
Еще недавно в Европейских странах и США уровень объема углекислого газа в помещении измеряли только для того, чтоб проверить качество работы вентиляции, и считалось, что СО2 опасен для человека только в больших концентрациях. Исследования же о влиянии на организм человека углекислого газа в концентрации приблизительно 0,1% появились совсем недавно.
Мало кто знает, что чистый воздух за городом содержит около 0,04% углекислого газа, и, чем ближе содержание СО2 в помещении к этой цифре, тем лучше чувствует себя человек.
Осознаем ли мы влияния плохого качества воздуха в помещение на наше здоровье и здоровье наших детей? Понимаем ли мы, как влияет высокое содержание углекислого газа в помещении на нашу работоспособность и на успеваемость учащихся? Можем ли мы понять, почему мы и наши дети такие усталые в конце рабочего дня? В состоянии ли мы решить проблему нашей утренней усталости и раздражительности, а так же плохого ночного сна?
Группой Европейских ученых были проведены исследования того, как влияет высокий (приблизительно 0,1-0,2%) уровень углекислого газа в классах на организм школьников. Исследования показали, что больше половины школьников регулярно испытывают на себе негативное влияние высокого уровня СО2, и следствием этого является то, что проблемы с дыхательной системой, ринит и слабая носоглотка у таких детей наблюдаются гораздо чаще, чем у других детей.
В результате исследований, проведенных в Европе и США было выявлено, что повышенный уровень СО2 в классе ведет к снижении внимания школьников, к ухудшению успеваемости, а так же к увеличению числа пропусков уроков по болезни. Особенно это касается детей, которые больны астмой.
В России подобные исследования никогда не проводились. Однако, в результате комплексного обследования московских детей и подростков в 2004-2004 гг. оказалось, что среди обнаруженных болезней у юных москвичей преобладают заболевания органов дыхания.
В результате недавних исследований, проведенных индийскими учеными среди жителей города Калькутта, выяснено, что даже в низких концентрациях углекислый газ является потенциально токсичным газом. Ученые сделали вывод, что углекислый газ по своей токсичности близок к двуокиси азота, принимая во внимание его воздействие на клеточную мембрану и биохимические изменения, происходящие в крови человека, такие, как ацидоз. Длительный ацидоз в свою очередь приводит к заболеванию сердечнососудистой системы, гипертонии, усталости и другим неблагоприятным для человеческого организма последствиям.
Жители крупного мегаполиса подвергаются негативному влиянию углекислого газа с утра до вечера. Сначала в переполненном общественном транспорте и в собственных автомобилях, которые подолгу стоят в пробках. Затем на работе, где часто бывает душно и нечем дышать.
Очень важно поддерживать хорошее качество воздуха в спальне, т.к. люди проводят там треть своей жизни. Для того, чтоб хорошо выспаться гораздо важнее качественный воздух в спальне, чем продолжительность сна, а уровень углекислого газа в спальнях и детских комнатах должен быть ниже 0,08%. Высокий уровень СО2 в этих помещениях может явиться причиной таких симптомов, как заложенность носа, раздражение горла и глаз, головной боли и бессонницы.
Финские ученые нашли способ решения этой проблемы исходя из аксиомы, что если в природе уровень углекислого газа составляет 0,035-0,04%, то и в помещениях он должен быть приближен к этому уровню. Изобретенное ими устройство удаляет из воздуха помещений избыток углекислого газа. Принцип основан на абсорбции (поглощении) углекислого газа специальным веществом.
Очень велика. Углекислый газ принимает участие в образовании всего живого вещества планеты и вместе с молекулами воды и метана создает так называемый «оранжерейный (парниковый) эффект».
Значение углекислого газа (CO 2 , двуокись или диоксид углерода ) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании процесса фотосинтеза, который осуществляется растениями .
Являясь парниковым газом , двуокись углерода в воздухе оказывает влияние на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучамое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании .
В последнее время наблюдается увеличение концентрации углекислого газа в воздухе, что ведет к .
Углерод (С) в атмосфере содержится в основном в виде углекислого газа (СО 2) и в небольшом количестве в виде метана (СН 4), угарного газа и других углеводородов.
Для газов атмосферы применяют понятие «время жизни газа». Это время, за которое газ полностью обновляется, т.е. время, за которое в атмосферу поступает столько же газа, сколько в нем содержится. Так вот, для углекислого газа это время составляет 3-5 лет, для метана - 10-14 лет. СО окисляется до СО 2 в течение нескольких месяцев.
В биосфере значение углерода очень велико, так как он входит в состав всех живых организмов. В пределах живых существ углерод содержится в восстановленном виде, а вне пределов биосферы - в окисленном. Таким образом, формируется химический обмен жизненного цикла: СО 2 ↔ живое вещество.
Источники углерода в атмосфере.
Источником первичной углекислоты являются , при извержении которых в атмосферу выделяется огромное количество газов. Часть этой углекислоты возникает при термическом разложении древних известняков в различных зонах метаморфизма.
Также углерод поступает в атмосферу в виде метана в результате анаэробного разложения органических остатков. Метан под воздействием кислорода быстро окисляется до углекислого газа. Основными поставщиками метана в атмосферу являются тропические леса и .
В свою очередь углекислый газ атмосферы является источником углерода для других геосфер - , биосферы и .
Миграция СО 2 в биосфере.
Миграция СО 2 протекает двумя способами:
При первом способе СО 2 поглощается из атмосферы в процессе фотосинтеза и участвует в образовании органических веществ с последующем захоронением в в виде полезных ископаемых: торфа, нефти, горючих сланцев.
При втором способе углерод участвует в создании карбонатов в гидросфере. СО 2 переходит в Н 2 СО 3 , НСО 3 -1 , СО 3 -2 . Затем с участием кальция (реже магния и железа) происходит осаждение карбонатов биогенным и абиогенным путем. Возникают мощные толщи известняков и доломитов. По оценке А.Б. Ронова, соотношение органического углерода (С орг) к углероду карбонатному (С карб) в истории биосферы составляло 1:4.
Каким образом осуществляется геохимический круговорот углерода в природе и как углекислый газ возвращается снова в атмосферу
Вячеслав Викторович Алексеев, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии географического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова. Специалист в области математического и физического моделирования геофизических систем.Софья Валентиновна Киселева, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник той же лаборатории. Занимается физическим моделированием процессов переноса углекислого газа, проблемами современных изменений климата.
Надежда Ивановна Чернова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник той же лаборатории. Занимается экологическими аспектами применения солнечной энергии, проблемами рационального использования природных ресурсов.
В начале 1998 г. бывший президент Национальной академии наук США Ф.Зейтц представил на рассмотрение научной общественности петицию, призывающую правительства США и других стран отклонить подписание достигнутых в Киото в декабре 1997 г. соглашений об ограничении выбросов парниковых газов. К петиции прилагался информационный обзор под названием “Влияние на окружающую среду роста содержания диоксида углерода в атмосфере” . В нем содержался подбор опубликованных результатов научных исследований, призванный доказать не только отсутствие эмпирических данных, подтверждающих предсказываемое многими учеными будущее потепление климата, но и несомненный выигрыш для человечества от роста парниковых газов. В обзоре были выдвинуты следующие тезисы.
Наблюдаемый ныне рост СО 2 в атмосфере происходит после почти 300-летнего периода потепления. Поэтому этот рост может быть не результатом деятельности человека, а следствием естественного процесса - интенсификации выделения СО 2 океаном при увеличении температуры воды. Кроме того, по сравнению с ежегодным антропогенным поступлением в атмосферу углерода (5.5 Гт) его содержание даже в резервуарах подвижного фонда (в атмосфере - около 750 Гт, поверхностных слоях океана - 1000 Гт, околоземной биоте, включая почвы и детрит, - около 2 200 Гт) столь велико, что антропогенный фактор роста СО 2 в атмосфере трудно признать значимым.
Далее авторы обзора приводят многочисленные данные спутниковых измерений температуры нижней тропосферы (на высоте около 4 км) за период 1958-1996 гг. и отмечают, что начиная с 1979 г. наблюдается слабый отрицательный тренд средней глобальной температуры (–0.047°С за 10 лет). В США же за последние 10 лет приземная температура воздуха уменьшилась на 0.08°С.
В то же время данные метеостанций дают положительные тренды температур приземного слоя (+0.07°С за 10 лет). Расхождения в результатах приводят к тому, что моделирование будущих изменений климата, основанное на данных о росте температуры, приводит к неверным прогнозам. Обсуждая компьютерные модели парникового эффекта и потепления климата, авторы обзора подчеркивают, что климат - сложная, нелинейная динамическая система. Неопределенности влияния, например, океанических поверхностных течений, переноса тепла в океане, влажности, облачности и т.п., по мнению авторов, столь велики в сравнении с воздействием СО 2 , что модельные оценки современного температурного хода существенно расходятся с имеющимися эмпирическими данными. Многочисленные обратные связи климатической системы, неудовлетворительно отражаемые в моделях, также приводят к ошибкам в прогнозах и несоответствию с реальностью.
Критикуя качество данных наземного измерения температуры воздуха, авторы обзора ссылаются на тепловое воздействие урбанизированных территорий, которое искажает действительную картину взаимосвязи роста концентрации парниковых газов и изменений температуры атмосферы. В современных изменениях климата нет ничего необычного; это лишь естественные изменения, вызванные как внутренними земными вариациями, так и внешними - в частности, колебаниями солнечной активности. Спутниковые данные, полученные, правда, всего за четыре года (1993-1997), по утверждению авторов, не показывают каких-либо изменений уровня океана, как это предсказывают модели глобального потепления. Число сильных тропических ураганов в Атлантике за период 1940-1997 гг. и максимальная скорость ветра в них снизились, что также противоречит и идее глобального потепления, и модельным результатам.
Здесь следует подчеркнуть, что общепризнано существование более десятка климатообразующих факторов. Как наиболее существенные выделяются следующие:
В исследовании В.В.Клименко с коллегами было проанализировано воздействие этих факторов на радиационный баланс в пределах десятилетия и последнего столетия. При рассмотрении вековой изменчивости климата оказалось, что именно накопление парниковых газов в атмосфере определило произошедшее повышение среднеглобальной температуры на 0.5°C. Однако авторы подчеркивают, что объяснение нынешних и будущих изменений климата только антропогенным фактором покоится на весьма шатком фундаменте, хотя его роль со временем, безусловно, возрастает.Определенный интерес представляет недавняя работа С.Корти с сотрудниками, в которой наблюдающееся потепление в Северном полушарии также связывается в основном с естественными изменениями в режимах циркуляции атмосферы . Правда, ее авторы подчеркивают, что этот факт не может служить доказательством отсутствия антропогенного воздействия на климат. Детальный модельный анализ роли тех же климатических факторов в повышении средней приземной температуры воздуха был проведен недавно английскими учеными . Их результаты показывают, что потепление атмосферы в первой половине XX в. (между 1910 и 1940 гг.) происходило в основном из-за колебания солнечной активности и в меньшей степени антропогенных факторов - парниковых газов и тропосферного сульфат-аэрозоля. Что касается периода 1946-1996 гг., то здесь естественные вариации солнечной и вулканической активности оказывают лишь второстепенное воздействие на климат по сравнению с антропогенным влиянием.
Анализ теплой биосферы мелового периода как аналога прогнозируемого потепления, проведенный Н.М.Чумаковым, показал, что воздействия основных климатообразующих факторов (помимо углекислого газа) недостаточно для объяснения потепления такого масштаба в прошлом . Парниковый эффект необходимой величины отвечал бы многократному увеличению содержания СО 2 в атмосфере. Толчком грандиозных климатических изменений в этот период развития Земли, вероятнее всего, стала положительная обратная связь между ростом температуры океанов и морей и увеличением концентрации атмосферной углекислоты.Влияние главных климатообразующих факторов на изменение средней глобальной приземной температуры. Оценки вкладов с указанием разбросов значений: парниковых газов и сульфат-аэрозолей (белые прямоугольники); солнечной активности (заполненные точками) и их совместного влияния (заштрихованные). Черными прямоугольниками показаны результаты инструментальных наблюдений. (Tett S.F.B., Stott P.A. et al. 1999.)Большое внимание в упомянутом обзоре уделено СО 2 как “удобрению”. Авторы приводят данные об ускорении роста растений при повышенном содержании углекислого газа в атмосфере. В частности, реакция молодых деревьев сосны, молодых апельсиновых деревьев, пшеницы на увеличение содержания СО 2 в окружающей среде в диапазоне от 400 до 800 ppm почти линейна и положительна. Отсюда авторы делают вывод о том, что эти данные можно легко перенести на различные уровни обогащения СО 2 и на различные виды растений. К воздействию возрастающего количества углекислого газа в атмосфере авторы относят и увеличение массы лесов США (на 30% с 1950 г.). Указывается, что больший стимулирующий эффект рост СО 2 производит на растения, произрастающие в более засушливых (стрессовых) условиях. А интенсивный рост растительных сообществ, как утверждают авторы обзора, неизбежно приводит к увеличению суммарной массы животных и оказывает положительное воздействие на биоразнообразие в целом. Отсюда следует оптимистичный вывод: “В результате увеличения атмосферного СО 2 мы живем во все более и более благоприятных условиях окружающей среды. Наши дети будут наслаждаться жизнью на Земле с гораздо большим количеством растений и животных. Это замечательный и непредвиденный подарок от индустриальной революции”.
Все же нам представляется, что многие из прилагаемых к петиции данных достаточно противоречивы.
Вместо потепления - похолодание?
Безусловно, колебания уровня СО 2 в атмосфере имели место и в прошлые эпохи, однако никогда эти изменения не происходили столь быстро. Но если в прошлом климатическая и биологическая системы Земли в силу постепенности изменений состава атмосферы “успевали” перейти в новое устойчивое состояние и находились в квазиравновесии, то в современный период при интенсивном, чрезвычайно быстром изменении газового состава атмосферы все земные системы выходят из стационарного состояния. И если даже встать на позицию авторов, отрицающих гипотезу глобального потепления, нельзя не отметить, что последствия такого “выхода из квазистационара”, в частности климатические изменения, могут быть самыми серьезными.
Кроме того, согласно некоторым прогнозам, после достижения максимума концентрации СО 2 в атмосфере она начнет падать из-за уменьшения антропогенных выбросов, поглощения углекислоты Мировым океаном и биотой. В этом случае растениям вновь придется адаптироваться к изменившейся среде обитания.
В обзоре безусловно верно замечено, что при моделировании последствий роста СО 2 и других парниковых газов в атмосфере, а также в современных теоретических построениях не учитываются многие обратные связи климатических систем, что приводит к неверным прогнозам и даже, как уверяют авторы, к ошибочности самой идеи глобального потепления. Однако, по нашему мнению, это должно приводить не к отрицанию возможного потепления климата, а к вероятности возникновения непредсказуемых климатических последствий (например, противоположного эффекта - похолодания в ряде районов земного шара).
В связи с этим чрезвычайно интересны некоторые результаты математического моделирования сложных последствий возможного изменения климата Земли. Эксперименты с трехмерной моделью объединенной системы океан-атмосфера, проведенные американскими исследователями, показали, что в ответ на потепление термохалинная северо-атлантическая циркуляция (Северо-Атлантическое течение) замедляется . Критическая величина концентрации СО 2 , вызывающая такой эффект, лежит между двумя и четырьмя доиндустриальными величинами содержания СО 2 в атмосфере (она равна 280 ppm, а современная концентрация составляет около 360 ppm).
Используя более простую модель системы океан-атмосфера, специалисты провели детальный математический анализ описанных выше процессов . Согласно их расчетам, при росте концентрации углекислого газа на 1% в год (что соответствует современным темпам) Северо-Атлантическое течение замедляется, а при содержании СО 2 , равном 750 ppm, наступает его коллапс - полное прекращение циркуляции. При более медленном росте содержания углекислоты в атмосфере (и температуры воздуха) - например на 0.5% в год, при достижении концентрации 750 ppm циркуляция замедляется, но затем медленно восстанавливается. В случае ускоренного роста парниковых газов в атмосфере и связанного с ним потепления Северо-Атлантическое течение разрушается при более низких концентрациях СО 2 - 650 ppm. Причины изменения течения в том, что потепление наземного воздуха вызывает рост температуры поверхностных слоев воды, а также повышение давления насыщенного пара в северных районах, а значит, и усиленную конденсацию, из-за чего возрастает масса распресненной воды на поверхности океана в Северной Атлантике. Оба процесса приводят к усилению стратификации водяного столба и замедляют (или вовсе делают невозможным) постоянное формирование холодных глубинных вод в северной части Атлантики, когда поверхностные воды, охлаждаясь и становясь более тяжелыми, опускаются в придонные области и затем медленно перемещаются к тропикам.
Исследования такого рода последствий потепления атмосферы, проведенные недавно Р.Вудом с сотрудниками, дает еще более интересную картину возможных событий. Помимо уменьшения общего атлантического переноса на 25% при современных темпах роста парниковых газов произойдет “отключение” конвекции в Лабрадорском море - одном из двух северных центров формирования холодных глубинных вод. Причем это может иметь место уже в период от 2000 до 2030 г.
Указанные колебания Северо-Атлантического течения могут повлечь за собой весьма серьезные последствия. В частности, при отклонении распределения потоков тепла и температуры от современного в атлантическом регионе Северного полушария средние температуры приземного воздуха над Европой могут существенно понизиться. Более того, изменения в скорости Северо-Атлантического течения и нагрева поверхностных вод могут уменьшить поглощение океаном СО 2 (по расчетам упомянутых специалистов - на 30% при удвоении концентрации углекислого газа в воздухе), что следует учитывать и в прогнозах будущего состояния атмосферы, и в сценариях выбросов парниковых газов. Существенные изменения могут произойти и в морских экосистемах, включая популяции рыб и морских птиц, зависящих не только от специфических климатических условий, но и от питательных веществ, которые выносятся к поверхности холодными океаническими течениями. Здесь мы хотим подчеркнуть чрезвычайно важный момент, упомянутый выше: последствия роста парниковых газов в атмосфере, как видно, могут быть гораздо сложнее, чем однородное потепление приземной атмосферы.Эволюция максимального погружения меридионального потока Северо-Атлантического течения (результаты расчетов по пяти сценариям глобального потепления). I - концентрация СО 2 достигает 560 ppm, поток слегка ослабевает, затем восстанавливается; II, IV - концентрация СО 2 - 650 и 750 ppm, скорость роста СО 2 1% в год, циркуляция разрушается; III, V - 650 и 750 ppm, скорость роста 0.5% в год, поток ослабевает, затем восстанавливается на более низком уровне.Возможное нарушение экосистем
При моделировании обмена углекислым газом приходится учитывать и воздействие на газоперенос состояния границы раздела океана и атмосферы . В течение ряда лет в лабораторных и натурных экспериментах мы исследовали интенсивность переноса СО 2 в системе вода-воздух. Рассматривалось воздействие на газообмен ветроволновых условий и дисперсной среды, образующейся вблизи границы раздела двух фаз (брызги над поверхностью, пена, воздушные пузырьки в толще воды). Оказалось, что скорость газопереноса при изменении характера волнения от гравитационно-капиллярного к гравитационному существенно увеличивается. Этот эффект (помимо повышения температуры поверхностного слоя океана) может внести дополнительный вклад в поток углекислоты между океаном и атмосферой. С другой стороны, существенным стоком СО 2 из атмосферы являются осадки, интенсивно вымывающие, как показали наши исследования, помимо других газовых примесей и углекислый газ. Расчеты с использованием данных о содержании растворенного углекислого газа в дождевой воде и годовой сумме осадков показали, что в океан ежегодно с дождями может поступать 0.2-1 Гт СО 2 , а общее количество углекислого газа, вымываемого из атмосферы, может достигать величины 0.7-2.0 Гт.
Возвращаясь к тезисам авторов приложения к петиции, отметим, что наиболее спорными представляются данные о благотворности роста СО 2 для зеленых растений. Дело в том, что существует целый ряд научных данных, согласно которым повышение концентрации СО 2 в атмосфере даже без учета глобального потепления способно привести к значительному изменению структуры и функционирования экосистем, что может быть неблагоприятно для растений . Положительная реакция на повышенное содержание углекислого газа в воздухе, наблюдаемая у отдельного растения, вовсе не обязательно означает, что будет иметь место усиленный рост растительных сообществ в целом.
Соображения авторов о роли СО 2 как стимулятора роста коренится в деталях фотосинтеза. Действительно, повышение концентрации углекислого газа может интенсифицировать этот процесс и, следовательно, способствовать росту растения. Пользу от этого извлекают так называемые С 3 -растения, к которым относятся практически все деревья и многие из основных сельскохозяйственных культур: рис, пшеница, картофель, бобовые. У С 3 -растений на первой стадии фиксации молекула СО 2 связывается с рибулозодифосфатом, содержащим 5-углеродный сахар. В результате реакции, происходящей под действием фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы, образуется короткоживущее нестабильное соединение, включающее 6-углеродный сахар. Оно распадается на два производных, которые содержат по три атома углерода - отсюда и название “С 3 -растения”. С диоксидом углерода за активный центр рибулозодифосфаткарбоксилазы конкурирует кислород атмосферного воздуха. Если побеждает О 2 , растение теряет энергию, так как во время утилизации кислорода не происходит фиксации СО 2 . По мере же увеличения концентрации углекислого газа вероятность его “выигрыша” в конкуренции с О 2 за связывание с активным центром фермента повышается. Действительно, в ряде экспериментов, когда концентрация СО 2 устанавливалась на уровне 600 ppm, фотореспирация снижалась на 50%, а ее ограничение означает, что растение может использовать больше своей энергии на построение тканей. Однако у этих растений в условиях возросшей концентрации СО 2 повышенный фотосинтез наблюдается в начальной стадии экспериментов, но после временной активации наступает его торможение. Транспортная система растения полигенна, зависит от многих факторов (энергетических, гормональных и др.) и не может быстро перестроиться. Поэтому при длительном воздействии на растение СО 2 в условиях повышенной концентрации фотосинтез снижается из-за избыточного накопления крахмала в хлоропластах .
Но тем не менее в практике доказано значительное увеличение роста и накопления биомассы у растений, выращенных при повышенной концентрации диоксида углерода, хотя со временем интенсивность фотосинтеза падает, приближаясь к тому, что наблюдается у растений, живущих в атмосфере с нормальным газовым составом. Это несоответствие находит объяснение в регуляторном действии углекислого газа на ростовую функцию растения. Длительное выдерживание растения при высокой концентрации СО 2 сопровождается увеличением площади листьев, стимуляцией роста побегов второго порядка, относительным возрастанием доли корней и запасающих органов в растении, усилением клубнеобразования. Ростовая функция усиливается за счет формирования нового фотосинтетического аппарата. Это свидетельствует о “двойной” роли СО 2 как субстрата в процессе фотосинтеза и как регулятора ростовых процессов. При повышении уровня углекислого газа в атмосфере устанавливается новое стационарное состояние системы, соответствующее новому уровню углекислоты, что и приводит к росту урожая преимущественно за счет увеличения объема всей фотосинтетической системы и в меньшей степени за счет интенсивности фотосинтеза на единицу площади листа.
Известным приемом повышения интенсивности и продуктивности фотосинтеза служит увеличение концентрации углекислоты в теплицах. Этот метод позволяет повысить прирост биомассы. Однако изменение концентрации СО 2 влияет на состав конечных продуктов фотосинтеза: было обнаружено, что при высоких концентрациях 14 СО 2 14 С включался преимущественно в сахара, а при низкой - в аминокислоты (серин, глицин и др.).
Поскольку атмосферный углекислый газ частично поглощают осадки и поверхностные пресные воды, в почвенном растворе повышается содержание СО 2 и как следствие этого происходит подкисление среды. В опытах, проведенных в нашей лаборатории, была предпринята попытка исследовать особенности воздействия растворенного в воде СО 2 на накопление биомассы растениями. Проростки пшеницы выращивались на стандартных водных питательных средах, в которых в качестве дополнительных источников углерода, помимо атмосферного, служили растворенный молекулярный СО 2 и бикарбонат-ион в различных концентрациях. Это достигалось варьированием времени насыщения водного раствора газообразным углекислым газом. Оказалось, что первоначальное повышение концентрации СО 2 в питательной среде приводит к стимулированию наземной и корневой массы растений пшеницы. Однако при 2-3-кратном превышении над нормальным содержания растворенного углекислого газа наблюдалось торможение роста корней растений с изменением их морфологии. Возможно, при значительном подкислении среды происходит уменьшение ассимиляции других питательных веществ (азота, фосфора, калия, магния, кальция). Таким образом, опосредованное воздействие повышенной концентрации СО 2 должно приниматься во внимание при оценке их влияния на рост растений.
Приведенные в приложении к петиции данные об интенсификации роста растений различных видов и возраста оставляют без ответа вопрос об условиях обеспеченности объектов изучения биогенными элементами. Следует подчеркнуть, что изменение концентрации СО 2 должно быть строго сбалансировано с потреблением азота, фосфора, других питательных веществ, света, воды в продукционном процессе без нарушения экологического равновесия. Так, усиленный рост растений при высоких концентрациях СО 2 наблюдался в среде, богатой питательными веществами. Например, на заболоченных землях в эстуарии Чесапикского залива (юго-запад США), где произрастают в основном С 3 -растения, увеличение СО 2 в воздухе до 700 ppm приводило к интенсификации роста растений и увеличению плотности их произрастания. Анализ более 700 агрономических работ показал, что при больших концентрациях СО 2 в среде, урожай зерновых в среднем был больше на 34% (там, где в почву вносилось достаточное количество удобрений и воды - ресурсов, имеющихся в изобилии только в развитых странах). Чтобы поднять продуктивность сельскохозяйственных культур в условиях роста углекислоты в воздухе, очевидно понадобится не только значительное количество удобрений, но и средств защиты растений (гербициды, инсектициды, фунгициды и т.д.), а также обширные ирригационные работы. Резонно опасаться, что стоимость этих мероприятий и последствия для окружающей среды окажутся слишком существенными и несоразмерными.
Исследования выявили также роль конкуренции в экосистемах, которая приводит к снижению стимулирующего эффекта высоких концентраций СО 2 . Действительно, саженцы деревьев одного вида в умеренном климате (Новая Англия, США) и тропиках росли лучше при высокой концентрации атмосферного СО 2 , однако при совместном выращивании саженцев разных видов продуктивность таких сообществ при тех же условиях не повышалась. Вероятно, конкуренция за питательные вещества сдерживает реакцию растений на повышение углекислого газа.
Высокое содержание СО 2 в воздухе может быть неблагоприятным для так называемых С 4 -растений, первые продукты фотосинтеза которых - соединения из четырех атомов углерода: яблочная и аспарагиновая кислоты, оксалоацетат. К этому классу относятся многие травы сухих, жарких тропических и субтропических областей, сельскохозяйственные культуры - кукуруза, сорго, сахарный тростник и др. У С 4 -растений имеется добавочный механизм карбоксилирования - своеобразный насос, концентрирующий СО 2 вблизи активного центра фермента, позволяющий этим растениям хорошо расти при обычных концентрациях диоксида углерода. У С 4 -растений в обычных условиях энергозатраты на фотореспирацию значительно ниже и эффективность фотосинтеза поэтому выше, чем у С 3 -растений. Примерно то же происходит и при фотосинтезе, характерном для типичных суккулентов. Его называют САМ-фотосинтезом (Crassulacean Acid Metabolism). САМ-растения подобно С 4 -растениям используют и С 3 , и С 4 -пути фотосинтеза, но отличаются от С 4 -растений тем, что для них характерно разделение этих путей только во времени, но не в пространстве, как у С 4 -растений.
Таким образом, с увеличением концентрации углекислоты С 3 -растения оказываются в более выгодном положении, чем С 4 - и САМ-растения, а это в свою очередь может иметь весьма серьезные последствия. Многие С 4 -растения станут редкими, или им грозит вымирание. В агроэкосистемах при выращивании С 4 -растений, например кукурузы или сахарного тростника, повышенная концентрация СО 2 может привести к падению их продуктивности, преимущество же получат сорняки, которые представлены в основном С 3 -растениями. В результате возможно значительное снижение урожая.
В случае потепления усиленный рост растений, при котором поглощается атмосферный диоксид углерода, не может компенсировать ускоренного разложения органических веществ. Это особенно важно, так как именно в высокоширотных местообитаниях, таких как тундра, ожидается наибольший рост температуры. В зоне вечной мерзлоты при таянии льда все больше торфа будет подвергаться воздействию микроорганизмов, разлагающих органическое вещество . Этот процесс в свою очередь приведет к большему выделению СО 2 и СН 4 в атмосферу. По оценкам, при росте летней температуры в тундре на 4°С в атмосферу дополнительно выделится до 50% углерода из торфа, несмотря на более интенсивный рост растений. В этом поясе сама притундровая растительность - важный климатообразующий фактор, поэтому при потеплении будет иметь серьезные последствия сдвиг границы леса на север. Изменится структура кормовой базы: на смену лишайникам и мхам, тяготеющим к низким температурам, придет кустарниковая растительность, непригодная для оленей. Кроме того, увеличение высоты снежного покрова неблагоприятным образом скажется на выживаемости появляющегося в это время молодняка.
Конкурентное взаимовлияние растений при ограниченных запасах питательных веществ будет сказываться не только на природных экосистемах, но и на экосистемах, создаваемых человеком. Поэтому сомнителен тезис, что будущее повышение уровня СО 2 в атмосфере приведет к более богатым урожаям и, как следствие этого, - к увеличению продуктивности животных.
Изучение адаптивной стратегии и реакции растений на колебания основных факторов, влияющих на изменение климата и характеристики окружающей среды, позволило уточнить некоторые прогнозы. Еще в 1987 г. был подготовлен сценарий агроклиматических последствий современных изменений климата и роста СО 2 в атмосфере Земли для Северной Америки . Согласно проведенным оценкам, при увеличении концентрации СО 2 до 400 ppm и росте средней глобальной температуры у земной поверхности на 0.5°С урожайность пшеницы в этих условиях увеличится на 7-10%. Но рост температур воздуха в северных широтах особенно проявится в зимнее время и вызовет чрезвычайно неблагоприятные частые зимние оттепели, которые могут привести к ослаблению морозостойкости озимых культур, вымерзанию посевов и повреждению их ледяной коркой. Прогнозируемое увеличение теплого периода вызовет необходимость селекции новых сортов с более продолжительным вегетационным периодом.
Что касается прогнозов урожайности основных сельскохозяйственных культур для России, то происходящий рост средних приземных температур воздуха и рост СО 2 в атмосфере, казалось бы, должны иметь положительный эффект. Воздействие только роста углекислого газа в атмосфере может обеспечить рост продуктивности ведущих сельскохозяйственных культур - С 3 -растений (хлебных злаков, картофеля, свеклы и др.) - в среднем на 20-30% , тогда как для С 4 -растений (кукурузы, проса, сорго, амаранта) этот рост незначителен . Однако потепление, очевидно, повлечет за собой снижение уровня атмосферного увлажнения примерно на 10%, что осложнит земледелие особенно в южной части Европейской территории, в Поволжье, в степных районах Западной и Восточной Сибири. Здесь можно ожидать не только снижения сбора продукции с единицы площади, но и развития эрозионных процессов (особенно ветровых), ухудшения качества почв, в том числе потери ими гумуса, засоления, опустынивания значительных территорий. Было установлено, что насыщение приземного слоя атмосферы толщиной до 1 м избытком СО 2 может откликнуться “эффектом пустыни”. Этот слой поглощает восходящие тепловые потоки, поэтому в результате его обогащения диоксидом углерода (в 1.5 раза в сравнении с нынешней нормой) локальная температура воздуха непосредственно у земной поверхности станет на несколько градусов выше средней температуры. Интенсивность испарения влаги из почвы увеличится, что приведет к ее иссушению . Из-за этого в целом по стране может снизиться производство зерна, кормов, сахарной свеклы, картофеля, семян подсолнечника, овощей и т.д. В результате изменятся пропорции между размещением населения и производством основных видов сельскохозяйственной продукции.
Наземные экосистемы, таким образом, весьма чувствительны к увеличению СО 2 в атмосфере, причем, поглощая избыточный углерод в процессе фотосинтеза, в свою очередь способствуют и росту атмосферного углекислого газа. Не менее важную роль в формировании уровня СО 2 в атмосфере играют процессы почвенного дыхания. Известно, что современное потепление климата вызывает усиленное выделение неорганического углерода из почв (особенно в северных широтах). Модельные расчеты , проведенные с целью оценки отклика наземных экосистем на глобальные изменения климата и уровня СО 2 в атмосфере, показали, что в случае только роста СО 2 (без климатических изменений) стимуляция фотосинтеза уменьшается при высоких значениях СО 2 , но выделение углерода из почв растет по мере его аккумуляции в растительности и почвах. Если содержание СО 2 в атмосфере стабилизируется, чистая продукция экосистем (результирующий поток углерода между биотой и атмосферой) быстро падает до нуля, так как фотосинтез компенсируется дыханием растений и почв. Ответом наземных экосистем на климатические изменения без воздействия роста СО 2 , согласно этим расчетам, может стать уменьшение глобального потока углерода из атмосферы в биоту из-за усиления дыхания почв в северных экосистемах и уменьшения чистой первичной продукции в тропиках в результате падения влагосодержания почв. Этот результат подтверждается оценками, согласно которым воздействие потепления на дыхание почв превалирует над воздействием его на рост растений и уменьшает почвенный запас углерода. Совместное воздействие глобального потепления и роста СО 2 в атмосфере может увеличить глобальную чистую продукцию экосистем и сток углерода в биоту, однако значительное возрастание почвенного дыхания может компенсировать этот сток в зимний и весенний периоды. Немаловажно, что эти прогнозы реакции наземных экосистем существенно зависят от видового состава растительных сообществ, обеспеченности питательными веществами, возраста древесных пород и значительно варьируют в пределах климатических зон.
* * * Данные, представленные в приложении к петиции, имели целью, как указывалось, предотвратить принятие документа, выработанного на международной встрече в Киото 1997 г. и открытого для подписания с марта 1998 г. по март 1999 г. Как показали итоги встречи в Буэнос-Айресе (ноябрь 1998г.), вероятность подписания этого документа рядом индустриально развитых государств, и в первую очередь США, практически отсутствует. В связи с этим возникает необходимость усовершенствования стратегии в решении проблемы глобальных изменений климата.
Вице-директор Института наблюдений за миром (The World Watch Institute) К.Флавин считает необходимым элементом дальнейшего движения - создание инициативной группы. В нее войдут страны (в частности, Европы и Латинской Америки), подписавшие протокол в Киото, крупнейшие города, “конструктивно мыслящие корпорации и фирмы” (“Бритиш Петролиум”, “Энрон Корпорейшен”, “Роял Дойч Шелл” и др.), активно поддерживающие ограничение эмиссии парниковых газов и включившиеся в процесс ограничения их выбросов на основе торговли эмиссиями.
По нашему мнению, важным вкладом в решение этой проблемы могло бы стать внедрение энергосберегающих технологий и использование возобновляемых источников энергии.
Литература
1 Robinson A.B., Baliunas S.L., Soon W., Robinson Z.W. Enviromental Effects of Increased Atmospheric Carbon Dioxide. Петиция вместе с обзором рассылалась в научно-исследовательские институты и отдельным ученым с просьбой подписать ее и в дальнейшем распространять среди коллег. Экземпляр петиции и обзора на русском и английском языке имеется в редакции “Природы”.
2 Подробнее см.: Сидоренков Н.С. Межгодовые колебания в системе атмосфера-океан-Земля //Природа. 1998. №7. С.26-34.
3 Клименко В.В., Клименко А.В., Снытин С.Ю., Федоров М.В. // Теплоэнергетика. 1994. №1. С.5-11.
4 Corti S., Molteni F., Palmer T.N. // Nature. 1999. V.398. №6730. P.799-802.
5 Tett S.F.B., Stott P.S., Allen M.R., Ingram W.J., Mitchell J.F.B. // Nature. 1999. V.399. №6736. P.569-572.
16 Мокроносов А.Т. Фотосинтез и изменение содержания СО 2 в атмосфере // Природа. 1994. №7. С.25-27.
17 Скурлатов Ю.И. и др. Введение в экологическую химию. М., 1994. С.38.
18 Романенко Г.А., Комов Н.В., Тютюнников А.И. Изменение климата и возможные последствия этого процесса в сельском хозяйстве // Земельные ресурсы России, эффективность их использования. М., 1995. С.87-94.
19 Mingkui C., Woodward F. I. // Nature. 1998. V.393. №6682. P.249-252.
Исследователи из Института океанографии Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего сообщили USA Today, что содержание углекислого газа в атмосфере Земли достигло самой высокой отметки за последние 800 тысяч лет. Теперь оно составляет 410 ppm (частей на миллион). Это значит, что в каждом кубометре воздуха углекислота занимает объем в 410 мл.
Углекислый газ в атмосфере
Диоксид углерода, или углекислый газ выполняет в атмосфере нашей планеты важную функцию: он пропускает часть излучения от Солнца, которое обогревает Землю. Однако, из-за того, что газ также поглощает тепло, испускаемое планетой, он способствует появлению парникового эффекта. Именно это считается главным фактором глобального потепления.
Постоянный рост содержания углекислоты в атмосфере начался с момента индустриальной революции. До того, концентрация никогда не превышала 300 ppm. В апреле текущего года была установлена самая высокая средняя отметка за последние 800 тысяч лет. В первый раз цифра 410 ppm была зафиксирована на станции мониторинга качества воздуха на Гавайях в апреле 2017 года, но тогда это был скорее из ряда вон выходящий случай. В апреле же 2018 года эта отметка стала средней за весь месяц. Концентрация диоксида углерода повысилась на 30% с момента начала наблюдений исследователями из Института Скриппса.
Почему концентрация повышается
Ученый Ральф Килинг из Института Скриппса, руководитель программы исследований СО2 считает, что концентрация углекислого газа продолжает расти в атмосфере из-за того, что мы постоянно сжигаем топливо. При переработке нефти, газа и угля в атмосферу выделяются такие парниковые газы, как диоксид углерода и метан. Газы вызвали повышение температуры Земли за последнее столетие до уровня, который не может быть объяснен естественной изменчивостью. Это давно известный факт, однако никто не принимает мер для того, чтобы как-то исправить ситуацию.
В свою очередь, Всемирная метеорологическая организация заявила, что увеличение количества парниковых газов способствует изменению климата и делает «планету более опасной и негостеприимной для будущих поколений». Вопрос нужно решать на глобальном уровне, и делать это как можно скорее.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Углекислый газ в атмосфере
Углекислый газ (СО2) в атмосфере Земли проходит путь, отдаленно напоминающий известный всем с детства круговорот воды в природе. Смысл его сводится к тому, что СО2 появляется в воздухе вследствие природных и техногенных процессов, а потом частью удаляется из атмосферы, а частью накапливается в ее верхних слоях и влияет на климат.
Распределение СО2 в атмосфере Земли
На протяжении многих веков вплоть до начала промышленной революции основными источниками образования СО2 служили естественные процессы: извержения вулканов, разложение органики, лесные пожары и дыхание животных. Но примерно с середины XVIII в. на содержание СО2 в воздухе начинает ощутимо влиять промышленная деятельность человека, в первую очередь те ее виды, которые связаны со сжиганием ископаемого топлива (нефть, уголь, сланцы, природный газ и др.) и производством цемента. На их долю приходится около 75% антропогенной эмиссии СО2. За остальные 25% ответственно землепользование, в частности, активное сведение лесов.
Удаление части СО2 из воздуха происходит за счет его растворения в океане и поглощения растениями. Впрочем, растения не только поглощают углекислый газ, но и выпускают его: в процессе дыхания они так же, как и люди, «вдыхают» кислород и «выдыхают» СО2. Так что углекислый газ присутствует в атмосфере всегда, вопрос только в том, каково его количество.
За последние десятилетия содержание СО2 возрастает стремительнее, чем когда-либо прежде за время документальной истории. В 1750 г. концентрация СО2 в атмосфере составляла около 270 ppm и только через двести с лишним лет, к 1958 г., «доползла» до отметки 320 ppm. Еще пятьдесят лет – и скачок на целых 60 пунктов: в 2005 г. содержание СО2 в атмосфере составило 380 ppm. В 2010 г. – уже 395 ppm. А недавно ученые сообщили, что содержание углекислого газа перевалило за 400 ppm и обратно в обозримом будущем не вернется. Похоже, пора переписывать энциклопедии.
Между прочим, в истории Земли бывали периоды с куда большим содержанием углекислого газа. Четыре миллиарда лет назад атмосфера нашей юной планеты содержала целых 90% СО2. Правда, жизнь тогда еще не зародилась: кислорода не было вообще. 2,5 миллиарда лет назад появились растения и все наладилось.
Нужно сказать, что отметка в 400 ppm преодолевалась и ранее. Содержание СО2 в атмосфере меняется в течение года, достигая максимума в мае. Так что весенне-летнее повышение концентрации углекислого газа не вызывало опасений ученых. В мае 2015 года даже в Антарктике уровень СО2 достиг 400 ppm, чего не случалось 4 миллиона лет! Но зато в сентябре традиционно наблюдается самое низкое в году содержание СО2 в атмосфере. Поэтому сентябрьское преодоление отметки 400 ppm как нельзя нагляднее свидетельствует о неконтролируемом росте количества углекислого газа в воздухе.
Углекислый газ и мы
Что с нами будет в этом «новом четыреста-пипиэмовом мире», как успела окрестить нашу планету западная пресса? Можно ответить в двух словах: глобальное потепление.
Глобальное потепление началось уже давно, и оно напрямую связано с содержанием углекислого газа в атмосфере. Дело в том, что СО2 – не просто газ, а парниковый газ. СО2 чрезвычайно инертен, он неохотно вступает в реакции с другими химическими элементами. За счет этого он накапливается в атмосфере Земли, где удерживает тепловое излучение с ее поверхности и препятствует его возвращению в космическое пространство. В этом и заключается парниковый эффект.
Парниковый эффект настолько крепко связан в нашем сознании с глобальным потеплением, что обычно ассоциируется с чем-то негативным. А между тем, именно парниковому эффекту мы обязаны комфортной жизнью на Земле. Без парниковых газов (кроме СО2 к ним относятся водяной пар, метан и озон) средняя температура на планете составляла бы –15°С, а не +15°С, как сейчас.
Но неконтролируемое повышение содержания парниковых газов приводит к усилению парникового эффекта, а тот, в свою очередь, – к глобальному потеплению. О нем слышали все и нередко относятся к нему с иронией, а иногда и подозрением: уж не заговор ли это производителей экотоплива? Все дело в том, что мы как будто бы не видим никаких признаков глобального потепления в повседневной жизни.
В самом деле, глобальное потепление – процесс медленный. Гренландия не растает ни завтра, ни послезавтра, ни даже через сто лет. Не будет никакой гигантской волны, смывающей Нью-Йорк, как в фильмах-катастрофах. Его затопит постепенно: городу придется отступить под натиском поднимающегося океана. Маленькие тихоокеанские острова исчезнут с лица Земли (вернее сказать, моря). Влажные регионы станут еще более влажными, а засушливые – еще более сухими. В первых будут плодиться насекомые-переносчики заболеваний, во вторых начнется острая нехватка продовольствия и питьевой воды. Приток пресных ледниковых вод в океан изменит курс теплых и холодных течений, что грозит похолоданиями в Северном полушарии и ураганами по всей планете. Дальше можно не продолжать: даже если малая часть этих прогнозов сбудется, человечеству придется непросто.
А пока среднегодовая температура по миру уже третий год подряд бьет рекорды. 2016 год называют самым жарким за последние 150 лет. Ученые установили, что атмосфера Земли потеплела на 1,45°С по сравнению с доиндустриальным периодом. Цифра может показаться ничтожной, но этого более чем достаточно, чтобы растопить льды.
Смотрите сами:
Таяние льдов (фотографии NASA)