Углекислый газ (СО2).

Углекислый газ, возможно, является самым важным из всех парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу человеком, во-первых, потому что он вызывает сильный парниковый эффект и, во-вторых, потому что по вине человека этого газа образуется так много.

Углекислый газ, это очень «естественный» компонент атмосферы - настолько естественный, что мы лишь недавно стали задумываться об углекислом газе антропогенного происхождения как о загрязнителе. Углекислый газ может быть полезной вещью. Однако ключевой вопрос заключается в том, в какой момент СО2 становится слишком много? Или, иными словами, в каких количествах он начинает оказывать вредное воздействие на окружающую среду?

То, что кажется естественным с точки зрения человека сегодня, может значительно отличаться от того, что было естественным для Земли в процессе ее эволюционного развития. История человечества представляет собой лишь очень тонкий срез (не более нескольких миллионов лет) на геологическом пласте, насчитывающим более чем 4,6 миллиардов лет.

Некоторые экологи опасаются, что углекислый газ приведет к катастрофическим изменениям в климате, таким, например, какие описаны в книге Билла Маккибена «Конец природы».

Вероятнее всего, углекислый газ преобладал в ранней атмосфере Земли. Сегодня содержание СО2 в атмосфере составляет лишь около 0,03 процента, и самые пессимистические прогнозы предсказывают повышение его уровня до 0,09 процентов к 2100 году. Приблизительно 4,5 миллиардов лет назад, как полагают некоторые ученые, СО2 составлял 80 процентов состава атмосферы Земли, медленно понижаясь сначала до 30-20 процентов в следующие 2,5 миллиарда лет. Свободный кислород практически не встречался в ранней атмосфере и был ядовит для анаэробных форм жизни, существовавших в то время.

Существование человека, как мы знаем сегодня, в условиях избыточного содержания углекислого газа в атмосфере, было просто невозможно. К счастью для людей и животных, большая часть СО2 была удалена из атмосферы на поздних этапах истории Земли, когда обитатели морей, ранние формы альгае, выработали способность к фотосинтезу. В процессе фотосинтеза растения используют энергию Солнца для того, чтобы превратить углекислый газ и воду в сахар и кислород. В конце концов, альгае и другие, более совершенные жизненные формы, появившиеся в процессе эволюции (планктон, растения и деревья), погибали, связывая большую часть углерода в различных углеродных минералах (нефтяных сланцах, в угле и нефти) в земной коре. То, что осталось в атмосфере - это кислород, которым мы дышим сейчас.

Углекислый газ поступает в атмосферу из различных источников - большая часть которых естественные. Но количество СО2 обычно остается приблизительно на одном уровне, поскольку существуют механизмы, которые выводят углекислый газ из атмосферы (рисунок 5 дает упрощенную схему циркуляции СО2 в атмосфере).

Одним из главных природных механизмов циркуляции СО2 является обмен газами между атмосферой и поверхностью океанов. Этот обмен представляет собой очень тонкий, хорошо сбалансированный процесс с обратной связью. Количество углекислого газа, вовлеченного в него, поистине огромно. Ученые измеряют эти количества в гига тоннах (Ггт - миллиардах метрических тонн) углерода для удобства.

Углекислый газ легко растворяется в воде (процесс, в результате которого получается газированная вода). Он также легко выделяется из воды (в газированной воде мы видим это как шипение). Углекислый газ атмосферы непрерывно растворяется в воде на поверхности океанов и выделяется назад в атмосферу. Этот феномен практически полностью объясняется физическими и химическими процессами. Поверхностью мирового океана ежегодно выделяется 90 Ггт углерода, а поглощается 92 Ггт углерода. Когда ученые сопоставляют эти два процесса, то получается, что поверхность мирового океана, по сути, является поглотителем углекислого газа, то есть поглощает больше СО2, чем выделяет назад в атмосферу.

Величина потоков углекислого газа в цикле атмосфера / океан остается наиболее важным фактором, потому что незначительные изменения в существующем балансе могут иметь непредсказуемые последствия для других природных процессов.

Не менее важное значение в циркуляции углекислого газа в атмосфере играют биологические процессы. СО2 необходим для фотосинтеза. Растения «дышат» углекислым газом, поглощая около 102 Ггт углерода ежегодно. Однако растения, животные и другие организмы также выделяют СО2. Одна из причин образования углекислого газа объясняется метаболическим процессом - дыханием. При дыхании живые организмы сжигают вдыхаемый ими кислород. Люди и другие наземные животные, к примеру, вдыхают кислород для поддержания жизни и выдыхают углекислый газ назад в атмосферу в качестве отходов. По расчетам, все живые организмы на Земле ежегодно выдыхают около 50 Ггт углерода.

Когда растения и животные умирают, органические соединения углерода, находящиеся в них, включаются в состав почвы или ила в болотах. Природа компостирует эти продукты увядшей жизни подобно садовнику, разбивая их на составные части в процессе различных химических превращений и работы микроорганизмов. По расчетам ученых, при распаде обратно в атмосферу попадает около 50 Ггт углерода.

Таким образом, 102 Ггт углерода, поглощенные из атмосферы ежегодно, почти на сто процентов сбалансированы 102-мя Гг тоннами углерода, попадающими ежегодно в атмосферу в процессе дыхания и распада животных и растений. Необходимо отдавать себе полный отчет в величине потоков углерода в природе, поскольку незначительные отклонения в существующем балансе могут иметь далеко идущие последствия.

По сравнению с циклом атмосфера-океан и биологическим циклом, количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу в результате человеческой деятельности, на первый взгляд кажется незначительным. При сжигании угля, нефти и природного газа человек выбрасывает в атмосферу приблизительно 5,7 Ггт углерода (по данным IPCC). При вырубке и сжигании лесов люди, добавляют еще 2 Гг тонны. Следует учесть, что существуют различные оценки количества углерода, попадающего в атмосферу в результате сведения лесов.

Эти количества несомненно играют определенную роль, потому что естественные углеродные циклы (атмосфера / океан и биологический цикл) долгое время находились в хорошо отрегулированном равновесии. По крайней мере, баланс сохранялся на временном отрезке, на котором происходило зарождение и развитие человечества. Промышленная и сельскохозяйственная деятельность человека, похоже внесли значительный перекос в углеродный баланс.

Различные научные исследования показали увеличение концентраций углекислого газа в атмосфере в последние несколько столетий. В течение этого времени население планеты росло в геометрической прогрессии, в промышленности стали применять паровой двигатель, автомобили с двигателями внутреннего сгорания распространились по всей планете, и фермеры-переселенцы расчистили от растительности огромные территории Америки, Австралии и Азии.

В течение того же времени, атмосферные концентрации углекислого газа увеличились с 280 частиц на миллион (ppmv) допромышленного периода (1750 год) до около 353 ррmv, что составляет приблизительно 25 процентов. Этого количества может оказаться достаточно, чтобы вызвать значительные изменения, в случае если климат действительно чувствителен к парниковым газам в той степени, в какой это предполагают ученые. Измерения в обсерватории Мануа Лоа на Гавайях, далеко удаленной от источников промышленных загрязнений, показывают стабильный рост концентраций СО2 между 1958 и 1990 годами (рисунок 6). В последние два года, однако, роста концентраций углекислого газа не наблюдалось.

Тесная связь между концентрациями углекислого газа и расчетными средними мировыми температурами просто поразительна (рисунок 7)! Однако, является ли эта корреляция случайной, до сих пор остается загадкой. Легко поддаться искушению и объяснить колебания температуры колебаниями концентраций СО2. Но связь может быть и обратной - изменение температуры может вызывать изменение концентраций углекислого газа.

За последние три миллиона лет Земля пережила множество ритмических колебаний, входя и выходя из ледниковых периодов в рамках так называемых циклов Миланковича (в честь астрофизика из Сербии). Циклы Миланковича на орбите Земли меняют угол и количество попадающего на поверхность нашей планеты солнечного света. Но эти климатические качели были бы намного меньше, если бы не усиливающий эффект изменения концентрации парниковых газов. Климатические записи, такие как глыбы льда, точно показывают нам, как эти концентрации газов меняются с течением времени, так как они содержат пузырьки древнего воздуха. От нас зависит выяснение причин, по которым парниковые газы проникают в атмосферу и исчезают из неё. Например, куда из атмосферы пропадал весь углекислый газ, когда теплые периоды сменялись ледниковыми?

Углекислый газ в океане

Главным подозреваемым является Южный океан. Богатая углекислым газом вода поднимается на поверхность и обменивается им с атмосферой. Если эта вентиляция замедляется, уровень углекислого газа в атмосфере будет падать. Снижение подъёма глубинных вод, вызванное крышкой из воды меньшей плотности вблизи берегов Антарктиды, к примеру, может объяснить снижение углекислого газа до 40 частей на миллион с примерно 100 частей на миллион на протяжении последних оледенений.

При этом много факторов остаются неучтёнными. В конце 1980-х океанографы решили одну из головоломок. Они обнаружили районы океана, где присутствовало много критически важных питательных веществ азота и фосфора, но производительность фотосинтеза тут была низкой. Что удерживало фитопланктон? Ограниченный запас железа.

Железо в воздушной пыли может передаваться на большие расстояния из засушливых регионов; при попадании в океан оно питает рост морского фитопланктона. Джон Х. Мартин и его коллеги предположили, что это объясняет, куда во время ледниковых периодов девается часть углекислого газа. Если больше пыли и железа попадает в океаны, то усиливающаяся биологическая активность может привлечь углерод в глубины океана.

Антарктические ледяные шапки во время ледниковых периодов содержали в себе большие количества воздушной пыли, значительная часть которой, как полагают, пришла из Патагонии в Южной Америке. Огромная равнина осадочной породы, появляющаяся из-под тающего ледника, является идеальным источником пыли. Это особенно верно для Патагонии, где ветры сильны и дождевые потоки во время ледниковых периодов были особо ярко выражены. Чем больше ледники здесь, тем больше получается пыли в воздухе, дующем через Южный океан.

Рост фитопланктона, «оплодотворяемого» всем этим железом, будет перемещать углекислый газ из атмосферы в глубины океана. Углекислый газ, вернее его некоторую часть, забирает фитопланктон в процессе фотосинтеза, получая энергию и материал для роста клеток. Когда он умирает и опускается на дно, он забирает углерод с собой.

Отличная идея, но как её проверить?

Попытки проверить теорию предпринимались на протяжении многих лет, но результаты были расплывчатыми. Они в основном опирались на то, что фитопланктон, вероятно, использует молекулы нитратов, содержащие азот с 14 атомами (наиболее распространённый изотоп), а не азот-15. Точное соотношение азота-15 к азоту-14 в фитопланктоне зависит от того, сколько нитратов доступны, если есть дефицит, тогда используется любой изотоп. Если испытывающая нехватку железа часть океана оплодотворяется воздушной пылью, будет задействовано больше нитрата, и концентрация будет уменьшаться. Таким образом, соотношение изотопов азота (которое может быть записано в донных отложениях) говорит нам о том, сколько нитратов было использовано.

Новое исследование под руководством Альфредо Мартинес-Гарсиа в ETH Zrich обеспечивает ещё лучший тест гипотезы оплодотворения железом. Технический прогресс позволил исследователям измерить изотопы азота в оболочках планктона из карбоната кальция, называемых фораминиферы в ядрах осадка морского дна. Предыдущие исследования анализировали диатомовые водоросли или сам осадок. В обоих случаях были осложняющие анализ факторы, усложняющие интерпретацию результатов. Исследователи также извлекли записи продуктивности фотосинтеза и железа из ветра, которые охватывают период в 160 тысяч лет.

Корреляция между изотопами азота и железом была довольно сильной. Содержание железа повышалось по мере охлаждения климата при последнем оледенении, источником был ветер из Патагонии, а концентрация нитратов на поверхности океана, похоже, уменьшалась. Анализ также показал более высокие уровни фотосинтеза в те периоды.

Данные указывают на чётко определяемое воздействие оплодотворения железом, которое привело бы больше углерода из атмосферы в глубины океана. Тот же самый процесс шёл и на более коротких промежутках времени, способствуя изменениям СО 2 при более мелких колебаниях климата, длившихся всего несколько тысяч лет.

Подобные записи помогают прояснить роль Южного океана среди других частей климатической системы, которые трансформируют орбитальные циклы Миланковича в значительные изменения климата.

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.

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 .

Атмосфера - это газовая оболочка Земли, природный неисчерпаемый

ресурсом. Атмосфера имеет слоистое строение и включает тропосферу,

стратосферу, мезосферу, ионосферу (термосферу), экзосферу.

В тропосфере, примыкающей к земной поверхности, сосредоточено основное количество

газов, которые составляют 75 % массы атмосферы. Высота верхней границы

составляет 8-10 км над полюсами и 16-18 км над экватором. Здесь

происходит интенсивное перемешивание воздуха по вертикали и

горизонтали, сконцентрировано основное количество водяного пара и

примесей, способствующих образованию облаков.

Следующий слой - стратосфера. Для нее характерны слабые воздушные

потоки, малое количество облаков и постоянство температуры.

На высоте 9-10 км на полюсах и 17-18 км над экватором находится

озоновый экран (озоновый слой), который простирается до высоты 35 км.

Выше стратосферы расположена мезосфера (от высоты 55 до 80 км). Она

характеризуется понижением температуры

Мезосфера переходит в термосферу (ионосферу), для которой характерно повышение температуры. В этом слое происходит ионизация газов с образование.

В экзосфере, простирающейся до высоты 1000-2000 км, происходит утечка водорода и гелия в космическое пространство.

В атмосферном воздухе всегда присутствует вода (водяной пар и капельная влага) в количестве 3-4 %, а также различные вещества-загрязнители атмосферы (оксиды серы, азота, метан, угарный газ, фреоны, пыль, сажа), составляющие в общей массе атмосферы незначительную часть.

Атмосферный воздух имеет большое значение в жизни биосферы.

1. Кислород воздуха необходим для дыхания аэробных организмов.

2. Атмосфера выполняет климатологическую роль. В ней образуются воздушные течения, происходит перемешивание больших масс воздуха и перераспределение на значительные расстояния химических веществ, выделяемых различными источниками на поверхности Земли.

3. Атмосфера выполняет защитную функцию, поглощая жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца молекулами озона в стратосфере, а также предотвращает бомбардировку поверхности Земли метеоритами, которые сгорают в верхних слоях.

4. Атмосфера играет важную роль в круговороте веществ в окружающей среде. В первую очередь это касается кислорода, углерода, азота и серы.

35 Газовый состав атмосферы

Состав газов в атмосфере довольно постоянный (в % по объему): азот -78,084; кислород - 20,946; углекислый газ - 0,033; аргон - 0,93; другие инертные и прочие газы (N20, NO2, CH4) - тысячные доли процента.

Значение отдельных газов для биосферы

Кислород. Постоянство содержания кислорода обусловлено процессом фотосинтеза, проходящем в растениях, в результате которого образуются органическое вещество и кислород. Кислород участвует в реакциях биологического окисления, обеспечивающих

энергией живые организмы.

Азот. Составляет основную массу атмосфеpы. Жизнь многим обязана азоту, поскольку он входит в состав аминокислот, белков и других органических молекул. В земной атмосфере наличие свободного азота обязано жизненным процессам, в результате которых он образовался из аммиака первичной атмосферы Земли.

Углекислый газ. Участвует в процессе фотосинтеза. Его относят к так называемым "парниковым" газам, способным снижать излучение тепла земной поверхностью в космическое пространство. Возрастание концентрации углекислого газа за счет сжигания

топлива, работы промышленных предприятий, транспорта, тепловых

электростанций и др. приводит к возникновению "парникового эффекта",

связанного с повышением температуры нижних слоев атмосферы и глобальным потеплением климата. В формировании парникового эффекта участвуют

также водяной пар, метан, оксиды азота (N20, N02), некоторые другие газы.