Химический состав
Атмосфера Земли возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.
В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).
Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H 2 O) и углекислого газа (CO 2).
Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SO 2 , NH 3 , СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I 2 , а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).
Углекислый газ в атмосфере Земли , по состоянию на 2011 год, представлен в количестве 392 ppm или 0,0392 %. Роль 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 климата планеты.
В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива, происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Впервые антропогенное влияние на концентрацию двуокиси углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп её роста увеличивался и в конце 2000-х происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO 2 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет.
Роль в парниковом эффекте
Несмотря на относительно небольшую концентрацию в воздухе, CO 2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим - асимметричное растяжение 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. Текущее изменение концентрации атмосферного CO 2 сказывается в полосах поглощения, где его современное влияние на спектр переизлучения Земли приводит только к частичному поглощению.
Кроме парниковых свойств двуокиси углерода, также имеет значение тот факт, что она является более тяжелым газом по сравнению с воздухом. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO 2 - 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.
В целом, увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты. Данный газ также обладает уникальным свойством долговременного воздействия на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остается 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.
Источники углекислого газа
К естественным источникам двуокиси 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 CO 2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO 2 приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путем 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.
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 двуокиси углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO 2 . В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами. Соотношение увеличения количества CO 2 в атмосфере ко всему выделенному CO 2 составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет.
Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO 2 , 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 CO 2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн. Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферной двуокиси углерода эквивалентную сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990). Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO 2 , что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO 2 . Как результат, двуокись углерода постепенно аккумулировалась в атмосфере и в 2009 году её концентрация на 39 % превосходила доиндустриальное значение.
Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO 2 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.
Деятельность человека достигла уже таких масштабов, что общее содержание углекислого газа в атмосфере Земли достигло предельно допустимых значений. Природные системы - суша, атмосфера, океан, находятся под разрушительным воздействием.
Важные факты
Например, к ним относятся фторхлоруглеводороды. Эти примеси газов излучают и поглощают солнечную радиацию, что отражается на климате планеты. В совокупности СО 2 , иные газообразные соединения, оказывающиеся в атмосфере, называют парниковыми газами.
Историческая справка
Он предупреждал о том, что увеличение объемов сжигаемого топлива может привести к нарушению радиационного баланса Земли.
Современные реалии
Сегодня большее количество диоксида углерода в атмосферу поступает при сжигании топлива, а также в связи с теми изменениями, что происходят в природе из-за вырубки лесных угодий, увеличения площадей сельскохозяйственных угодий.
Механизм воздействия диоксида углерода на живую природу
Повышение содержания углекислого газа в атмосфере вызывает парниковый эффект. Если при коротковолновой солнечной радиации оксид углерода (IV) прозрачен, то длинноволновую радиацию он поглощает, излучая энергию по всем направлениям. В результате содержание углекислого газа в атмосфере существенно увеличивается, нагревается поверхность Земли, горячими становятся нижние слои атмосферы. При последующем увеличении количества диоксида углерода возможно глобальное изменение климата.
Именно поэтому важно прогнозировать общее содержание углекислого газа в атмосфере Земли.
Источники попадания в атмосферу
Среди них можно выделить промышленные выбросы. Содержание углекислого газа в атмосфере возрастанием в связи с антропогенными выбросами. Экономический рост напрямую зависит от количества сжигаемых природных ископаемых, так как многие производства являются энергозатратными предприятиями.
Результаты статистических исследований свидетельствуют о том, что с конца прошлого века во многих странах происходит снижение удельных затрат энергии при существенном росте цен на электроэнергию.
Эффективное ее использование достигается благодаря модернизации технологического процесса, транспортных средств, использованию новых технологий в строительстве производственных цехов. Некоторые развитые промышленные страны перешли от развития перерабатывающей и сырьевой отрасли к развитию тех направлений, которые занимаются изготовлением конечного продукта.
В крупных мегаполисах, обладающих серьезной производственной базой, выбросы диоксида углерода в атмосферу существенно выше, поскольку СО 2 часто является побочным продуктом отраслей, деятельность которых удовлетворяет запросы образования, медицины.
В развивающихся странах существенный рост использования высококачественного топлива на 1 жителя, считается серьезным фактором для перехода на более высокий уровень жизни. В настоящее время выдвигается идея, согласно которой продолжение экономического роста и повышение уровня жизни возможно без увеличения количества сжигаемого топлива.
В зависимости от региона содержание углекислого газа в атмосфере составляет от 10 до 35 %.
Связь между потребляемой энергией и выбросами СО2
Начнем с того, что энергия не производится только ради ее получения. В развитых промышленных странах большая ее часть используется в промышленности, для обогрева и охлаждения зданий, для транспорта. Исследования, проводимые крупными научными центрами, показали, что при использовании энергосберегающих технологий можно получить существенное снижение выбросов диоксида углерода в земную атмосферу.
Например, ученым удалось посчитать, что если бы США перешли на менее энергоемкие технологии при производстве товаров народного потребления, это бы позволило снизить количество углекислого газа, попадающего в атмосферу, на 25 %. В масштабах земного шара это позволило бы снизить проблему парникового эффекта на 7 %.
Углерод в природе
Анализируя проблему, касающуюся выбросов диоксида углерода в атмосферу Земли, отметим, что углерод, который входит в его состав, является жизненно важным для существования биологических организмов. Его способность образовывать сложные углеродные цепочки (ковалентные связи) приводит к появлению белковых молекул, необходимых для жизни. Биогенный цикл углерода является сложным процессом, поскольку в него входит не просто функционированием живых существ, но и перенос неорганических соединений между разными резервуарами углерода, а также внутри них.
К ним относится атмосфера, континентальная масса, в том числе почвы, а также гидросфера, литосфера. На протяжении двух последних столетий в системе биофера-атмосфера-гидросфера наблюдаются изменения потоков углерода, который по своей интенсивности существенно превышают скорость протекания геологических процессов переноса данного элемента. Именно поэтому нужно ограничиваться рассмотрением взаимоотношений внутри системы, включая и почву.
Серьезные исследования, касающиеся определения количественного содержания углекислого газа в земной атмосфере, стали проводиться с середины прошлого века. Первопроходцем в таких вычислениях стал Киллинг, работающий в известной обсерватории Мауна-Лоа.
Анализ наблюдений показал, что на изменения концентрации диоксида углерода в атмосфере влияет цикл фотосинтеза, деструкция растений на суше, а также годовое изменение температуры в Мировом океане. В ходе экспериментов удалось выяснить, что количественное содержание углекислого газ в северном полушарии существенно выше. Ученые предположили, что это связно с тем, что большая часть антропогенного поступления приходится именно на это земное полушарие.
Для проведения анализа были взяты без специальных методик, кроме того не учитывалась относительная и абсолютная погрешность вычислений. Благодаря анализу пузырьков воздуха, которые содержались в ледниковых кернах, исследователям удалось установить данные по содержанию в земной атмосфере углекислого газа в диапазоне 1750-1960 гг.
Заключение
На протяжении последних столетий произошли существенные изменения в континентальных экосистемах, причиной стало увеличение антропогенного воздействия. При повышении количественного содержания углекислого газа в атмосфере нашей планеты, возрастает парниковый эффект, что негативно отражается на существовании живых организмов. Именно поэтому важно переходить на энергосберегающие технологии, которые позволяют снижать поступление СО 2 в атмосферу.
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
Похоже, Земля переступила знаковый порог на фоне глобального потепления.
Обычно в сентябре показатели содержания углекислого газа (СО2) в атмосфере бывают минимальные. Эта концентрация является эталонной планкой, по которой измеряют колебания уровня парниковых газов весь следующий год. Но в сентябре текущего год уровень СО2 остается высоким, составляя примерно 400 миллионных долей, и многие ученые считают, что при нашей жизни концентрация парниковых газов не опустится ниже этого порогового значения.
Земля стабильно накапливает СО2 в атмосфере со времен промышленной революции, однако уровень в 400 миллионных долей создает новую норму, какой на нашей планете не было миллионы лет.
«Последний раз содержание СО2 в атмосфере нашей планеты составляло 400 миллионных долей около трех с половиной миллионов лет назад, и климат в то время очень сильно отличался от сегодняшнего», — сообщил по электронной почте Christian Science Monitor адъюнкт-профессор Школы по изучению моря и атмосферных явлений при Университете штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук Дэвид Блэк (David Black).
«В частности, в Арктике (севернее 60-й широты) было значительно теплее, чем сегодня, а уровень моря на планете был на 5-27 метров выше нынешнего», — отметил Блэк.
«Тогда атмосфере понадобились миллионы лет, чтобы уровень СО2 в ней достиг 400 миллионных долей. А чтобы он упал до 280 миллионных долей (такой показатель был накануне промышленной революции), понадобились еще миллионы лет. Климатологов очень тревожит, что люди всего за несколько столетий сделали то, что природа сделала за миллионы лет, причем большая часть этих изменений приходится на последние 50-60 лет».
Глобальная концентрация СО2 уже несколько лет периодически поднимается выше 400 миллионных долей; но в летний сезон вегетации значительная часть углекислого газа в атмосфере поглощается в процессе фотосинтеза, и поэтому большую часть года уровень СО2 ниже этой отметки.
Контекст
Безумие парникового эффекта
Wprost 15.12.2015Мир плохо подготовлен к глобальному потеплению
The Globe And Mail 09.05.2016Климатическая катастрофа в Европе
Dagbladet 02.05.2016Пора заняться климатом
Project Syndicate 26.04.2016Ядовитый климат
Die Welt 18.01.2016Но из-за деятельности человека (прежде всего, из-за сжигания органического топлива) в атмосферу выбрасывается больше СО2, и годовой минимум все ближе и ближе подходил к отметке 400 миллионных долей. Ученые опасаются, что в этом году планета достигла точки невозврата.
«Возможно ли, чтобы в октябре 2016 года месячный показатель был ниже сентябрьского, опустившись ниже 400 миллионных долей? Практически нет», — написал на прошлой неделе в своей статье директор программы из Института океанографии им. Скрипс Ральф Килинг (Ralph Keeling).
В прошлом бывали случаи, когда уровень СО2 падал ниже прежних сентябрьских значений, но они крайне редки. По словам ученых, даже если мир прямо с завтрашнего дня полностью прекратит выбрасывать углекислый газ в атмосферу, его концентрация еще несколько лет будет оставаться выше 400 миллионных долей.
«В лучшем случае (при таком сценарии) можно ждать стабилизации в ближайшей перспективе, а поэтому уровень СО2 вряд ли сильно изменится. Но лет через 10 или около того он начнет снижаться, — сказал изданию Climate Central главный климатолог НАСА Гэвин Шмидт (Gavin Schmidt). — На мой взгляд, мы больше не увидим месячный показатель ниже 400 миллионных долей».
Хотя рост концентрации СО2 в атмосфере дает повод для озабоченности, следует отметить, что сама по себе отметка в 400 миллионных долей это в большей степени маршрутный ориентир, чем жесткий показатель, предвещающий миру климатический апокалипсис.
«Людям нравятся округленные числа, — говорит профессор экологии из Университета Конкордия в Монреале Дэймон Мэтьюз (Damon Matthews). — Также весьма символично и то, что параллельно с увеличением СО2 мировая температура на один градус превысила доиндустриальный уровень».
Конечно, эти показатели в основном символические, но они являются реальной иллюстрацией той траектории, которой следует земной климат.
«Концентрация СО2 это в некоторой степени обратимый показатель, потому что растения поглощают углекислый газ, — отмечает доктор Мэтьюз. — А вот температура, возникающая на основе таких изменений, в отсутствие человеческих усилий необратима».
Двуокись углерода в виде парникового газа не только способствует глобальному потеплению, но и негативно влияет на состояние мирового океана из-за его подкисления. Когда углекислый газ в больших объемах растворяется в воде, часть его превращается в углекислоту, которая вступает в реакцию с молекулами воды, производя ионы водорода, что повышает кислотность среды океана. Это в свою очередь ведет к обесцвечиванию кораллов и создает помехи жизненному циклу мелких организмов, что также негативно отражается на организмах покрупнее, расположенных далее в пищевой цепочке.
Новость о пороге в 400 миллионных долей появилась в момент, когда мировые лидеры сделали ряд шагов к ратификации Парижского соглашения по климатическим изменениям, которое направлено на систематическое уменьшение углеродных выбросов во всем мире, начиная с 2020 года.
Ратифицирующим соглашение странам предстоит большая работа.
«Чтобы снизить уровень СО2 в атмосфере во временном масштабе нескольких столетий, нам надо не только использовать и разрабатывать источники энергии не на основе углерода; нам нужно также физическими, химическими и биологическими методами удалять СО2 из атмосферы, — говорит Блэк. — Технология удаления атмосферного СО2 есть, но в масштабах существующей проблемы она пока неприменима».