Атмосфера - один из основных резервуаров углерода на Земле и важный компонент глобального углеродного цикла , содержащий около 720 гигатонн углерода. [1] Атмосферный углерод играет важную роль в парниковом эффекте . Наиболее важным углеродным соединением в этом отношении является газообразный диоксид углерода ( CO
2). Хотя он составляет небольшой процент от атмосферы (примерно 0,04% на молярной основе), он играет жизненно важную роль в удержании тепла в атмосфере и, следовательно, в парниковом эффекте. [1] Другие газы, влияющие на климат и содержащие углерод в атмосфере, - это метан и хлорфторуглероды (последний полностью антропогенный ). Выбросы людей за последние 200 лет почти вдвое увеличили количество углекислого газа в атмосфере. [1] [2]
Соответствующие газы [ править ]
| Часть серии о |
| Цикл углерода |
|---|
 |
Концентрация парниковых газов, в основном связанных с углеродом, резко возросла с началом индустриальной эры . Это делает очень важным понимание углеродного компонента атмосферы. Двумя основными углеродными парниковыми газами являются метан и диоксид углерода. [3]
Метан [ править ]
Метан (CH 4 ) - один из наиболее сильных парниковых газов, который в основном образуется в результате пищеварения или разложения биологических организмов. Он считается вторым по значимости парниковым газом [3], однако метановый цикл в атмосфере в настоящее время изучен плохо. [4] Количество метана, производимого и поглощаемого ежегодно, сильно различается. [3]
Большие запасы метана можно найти в виде метанового льда под вечной мерзлотой и на континентальных шельфах. Дополнительный метан производится в результате анаэробного разложения органического материала и производится в пищеварительном тракте организмов, почве и т. Д. На производство природного метана приходится 10-30% мировых источников метана. [5]
Антропогенный метан образуется различными способами, например, при выращивании крупного рогатого скота или при разложении мусора на свалках. Он также производится несколькими промышленными источниками, включая добычу и распределение ископаемого топлива. [4] Более 70% атмосферного метана поступает из биогенных источников. Уровни метана постепенно повышались с начала индустриальной эры [6] с ~ 700 частей на миллиард в 1750 году до ~ 1775 частей на миллиард в 2005 году [3].
Метан может быть удален из атмосферы в результате реакции фотохимического образования гидроксильного свободного радикала (ОН). [7] [8] Он также может покинуть атмосферу, войдя в стратосферу, где он разрушается, или за счет поглощения почвенными стоками. [9] Поскольку метан довольно быстро реагирует с другими соединениями, он не остается в атмосфере так долго, как многие другие парниковые газы, например, диоксид углерода. Его время жизни в атмосфере составляет около восьми лет. [6] Это сохраняет концентрацию метана в атмосфере на относительно низком уровне и является причиной того, что в настоящее время он играет второстепенную роль в парниковом эффекте по сравнению с углекислым газом, несмотря на то, что он производит гораздо более мощный парниковый эффект на единицу объема.[4]
Углекислый газ [ править ]
Двуокись углерода ( CO2) оказывает сильное потепление на глобальную температуру за счет парникового эффекта . Хотя отдельные молекулы CO 2 имеют короткое время пребывания в атмосфере, требуется очень много времени, чтобы уровни углекислого газа понизились после внезапных подъемов, например, из-за извержений вулканов или деятельности человека [10], а также из-за множества длительно сохраняющихся парниковых газов. , он является наиболее важным, поскольку составляет самую большую часть атмосферы. [3] После промышленной революции концентрация CO 2 в атмосфере выросла с 280 до почти 400 частей на миллион. [2] Хотя количество CO 2внесенные в атмосферу составляют лишь небольшую часть глобального углеродного цикла, длительное время пребывания диоксида углерода делает эти выбросы значимыми для общего углеродного баланса. Повышенная концентрация углекислого газа усиливает парниковый эффект, вызывая изменения глобального климата . Из увеличенного количества двуокиси углерода, ежегодно попадающего в атмосферу, приблизительно 80% приходится на сжигание ископаемого топлива и производство цемента. Остальные ~ 20% связаны с изменением землепользования и обезлесением. [11] Поскольку газообразный диоксид углерода не реагирует быстро с другими химическими веществами, основные процессы, которые изменяют содержание диоксида углерода в атмосфере, включают обмены с другими резервуарами углерода Земли, как объясняется в следующих разделах.
Взаимодействие с другими системами [ править ]
Атмосферный углерод быстро обменивается между океанами и земной биосферой. Это означает, что иногда атмосфера действует как сток, а иногда как источник углерода. [1] В следующем разделе представлены обмены между атмосферными и другими компонентами глобального углеродного цикла.
Земная биосфера [ править ]
Обмен углерода с земной биосферой происходит с различной скоростью. Он поглощается автотрофами в виде углекислого газа и превращается в органические соединения . Углерод также выделяется из биосферы в атмосферу в ходе биологических процессов. При аэробном дыхании органический углерод преобразуется в двуокись углерода, а при анаэробном дыхании определенного типа он превращается в метан. После дыхания диоксид углерода и метан обычно выбрасываются в атмосферу. Органический углерод также выделяется в атмосферу во время горения. [12]
Время пребывания углерода в земной биосфере варьируется и зависит от большого количества факторов. Поглощение углерода биосферой происходит в различных временных масштабах. Углерод поглощается в основном во время роста растений. Наблюдается тенденция увеличения поглощения углерода как в течение дня (ночью поглощается меньше углерода), так и в течение года (зимой поглощается меньше углерода). [3] В то время как органическое вещество у животных обычно быстро разлагается, выделяя большую часть своего углерода в атмосферу через дыхание, углерод, хранящийся в виде мертвого растительного вещества, может оставаться в биосфере на протяжении десятилетия или более. Разные типы растений разлагаются с разной скоростью - например, древесные вещества сохраняют свой углерод дольше, чем мягкие листовые материалы. [13]Активный углерод в почвах может оставаться изолированным до тысячи лет, в то время как инертный углерод в почвах может оставаться изолированным более тысячелетия. [12]
Океаны [ править ]
Ежегодно между океаном и атмосферой происходит обмен большого количества углерода. Основным фактором, регулирующим углеродообмен между океаном и атмосферой, является термохалинная циркуляция . В районах океанического апвеллинга богатая углеродом вода из глубин океана выходит на поверхность и выделяет углерод в атмосферу в виде двуокиси углерода. В более высоких широтах в холодной воде растворяется большое количество углекислого газа. Эта вода опускается вниз и переносит углерод на более глубокие уровни океана, где он может оставаться от десятилетий до нескольких столетий. [1] События циркуляции океана делают этот процесс изменчивым. Например, во время явлений Эль-Ниньо наблюдается менее глубокий апвеллинг океана, что приводит к снижению выделения углекислого газа в атмосферу.[11]
Биологические процессы также приводят к углеродному обмену между океаном и атмосферой. Углекислый газ уравновешивает атмосферу и поверхностные слои океана. Когда автотрофы добавляют или вычитают углекислый газ из воды посредством фотосинтеза или дыхания , они изменяют этот баланс, позволяя воде поглощать больше углекислого газа или заставляя ее выделять углекислый газ в атмосферу. [1]
Геосфера [ править ]
Обычно углеродный обмен между атмосферой и геосферой происходит очень медленно. Двумя исключениями являются извержения вулканов и сжигание ископаемого топлива , оба из которых очень быстро выделяют большое количество углерода в атмосферу. [ необходима цитата ] Свежая силикатная порода, которая подвергается воздействию геологических процессов, поглощает углерод из атмосферы, когда она подвергается воздействию воздуха в результате процессов выветривания и эрозии . [ необходима цитата ]
Антропогенные источники [ править ]
Человеческая деятельность изменяет количество углерода в атмосфере непосредственно за счет сжигания ископаемого топлива и других органических материалов, таким образом окисляя органический углерод и производя углекислый газ. [14] [15] Еще один антропогенный источник двуокиси углерода - производство цемента . Сжигание ископаемого топлива и производство цемента являются основными причинами увеличения атмосферного CO 2 с начала индустриальной эры. [3]
Другие антропогенные изменения в атмосферном углеродном цикле связаны с антропогенными изменениями углеродных резервуаров. Обезлесение, например, снижает способность биосферы поглощать углерод, тем самым увеличивая количество углерода в атмосфере. [16]
Поскольку промышленное использование углерода людьми - это совершенно новая динамика в геологическом масштабе, важно иметь возможность отслеживать источники и поглотители углерода в атмосфере. Один из способов сделать это - наблюдать за долей стабильных изотопов углерода, присутствующих в атмосфере. Двумя основными изотопами углерода являются 12 C и 13 C. Растения поглощают более легкий изотоп, 12 C, с большей готовностью, чем 13 C. [17] Поскольку ископаемое топливо происходит в основном из растительного вещества, соотношение 13 C / 12 C в атмосфере падает. при сжигании большого количества ископаемого топлива с высвобождением 12 C. И наоборот, увеличение 13 C /12 C в атмосфере предполагает более высокое поглощение углерода биосферой. [12] Отношение ежегодного увеличения атмосферного CO 2 по сравнению с выбросами CO 2 от ископаемого топлива и производимого цемента называется «воздушной фракцией». [18] Доля переносимых по воздуху составляла около 60% с 1950-х годов, что указывает на то, что около 60% нового углекислого газа в атмосфере ежегодно происходит от людей. [3]Для ясности, это не означает, что 60% поглощения углекислого газа в атмосферу происходит в результате деятельности человека. Это означает, что атмосфера ежегодно обменивает около 210 гигатонн углерода, но поглощает на 6-10 гигатонн больше, чем теряет. Из этой чистой прибыли около 60% приходится на сжигание ископаемого топлива.
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d e f Falkowski, P .; Scholes, RJ; Boyle, E .; Canadell, J .; Canfield, D .; Elser, J .; Gruber, N .; Hibbard, K .; Högberg, P .; Linder, S .; Маккензи, FT; Мур Б., 3 .; Pedersen, T .; Rosenthal, Y .; Зейтцингер, S .; Сметачек, В .; Штеффен, В. (2000). «Глобальный углеродный цикл: проверка наших знаний о Земле как системе». Наука . 290 (5490): 291–296. Bibcode : 2000Sci ... 290..291F . DOI : 10.1126 / science.290.5490.291 . PMID 11030643 .CS1 maint: numeric names: authors list (link)
- ^ a b Загар, Питер; Килинг, Ральф. «Тенденции в двуокиси углерода» . Лаборатория исследования системы Земля NOAA .
- ^ a b c d e f g h Forster, P .; Ramawamy, V .; Artaxo, P .; Berntsen, T .; Betts, R .; Fahey, DW; Haywood, J .; Lean, J .; Лоу, округ Колумбия; Myhre, G .; Nganga, J .; Prinn, R .; Raga, G .; Schulz, M .; Ван Дорланд Р. (2007 г.), «Изменения в компонентах атмосферы и радиационном воздействии», Изменение климата 2007 г .: Физическая основа. Вклад Рабочей группы I в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата
- ^ a b c Prather, M .; и другие. (2001), «Атмосферная химия и парниковые газы», Изменение климата 2001: Научная основа. Вклад Рабочей группы I в Третий доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата
- ^ Keppler, F .; Гамильтон, JTG; Латунь, M .; Рёкманн, Т. (2006). «Выбросы метана наземными растениями в аэробных условиях». Природа . 439 (7073): 187–191. Bibcode : 2006Natur.439..187K . DOI : 10,1038 / природа04420 . PMID 16407949 . S2CID 2870347 .
- ^ a b Центр, Информация о глобальных системах наблюдений (2011 г.). «Состав атмосферы GCOS ECV: метан (CH4) и другие долгоживущие парниковые газы» . Архивировано из оригинала на 2012-03-08 . Проверено 4 июня 2012 .
- ^ Platt, U .; Allan, W .; Лоу, Д. (2004). «Средняя по полушарию концентрация атомов Cl при соотношении 13 C / 12 C в атмосферном метане» . Химия и физика атмосферы . 4 (9/10): 2393. Bibcode : 2004ACP ..... 4.2393P . DOI : 10,5194 / ACP-4-2393-2004 .
- ^ Аллан, W .; Лоу, округ Колумбия; Гомес, AJ; Struthers, H .; Брейлсфорд, GW (2005). «Межгодовые колебания 13C в тропосферном метане: последствия для возможного стока атомарного хлора в морском пограничном слое» . Журнал геофизических исследований . 110 (D11): D11306. Bibcode : 2005JGRD..11011306A . DOI : 10.1029 / 2004JD005650 .
- ^ Родился, М .; Dorr, H .; Левин, И. (1990). «Потребление метана в аэрированных почвах умеренной зоны». Теллус Б . 42 (1): 2–8. Bibcode : 1990TellB..42 .... 2B . DOI : 10.1034 / j.1600-0889.1990.00002.x .
- ^ Инман, М. (2008). «Углерод - это навсегда». Природа сообщает об изменении климата . 1 (812): 156–158. DOI : 10.1038 / климат.2008.122 .
- ^ а б Денман, Кеннет; Брассер, Гай; Chidthaisong, A .; Ciais, P .; Cox, P .; Дикинсон, Р ..; Hauglustaine, D .; Heinze, C .; Holland, E .; Джейкоб, Д .; Lohmann, U .; Ramachandran, S .; da Silva Dias, P .; Wofsy, S .; Чжан, X. (2007), «Связь между изменениями в климатической системе и биогеохимией», Изменение климата 2007: Физическая основа. Вклад Рабочей группы I в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата
- ^ а б в г Прентис, IC; и другие. (2001). «Круговорот углерода и двуокись углерода в атмосфере» (PDF) . Изменение климата 2001: научная основа. Вклад Рабочей группы I в Третий оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата : 184–238 . Проверено 20 июня 2020 .
- ^ Краткая экологическая инженерия . Книжная книга. ISBN 978-87-403-0197-7.
- ^ Ван дер Верф, GR; Рандерсон, JT; Collatz, GJ; Giglio, L .; Kasibhatla, PS; Ареллано-младший, AF; Olsen, SC; Касишке, ES (2004). "Континентальное разделение выбросов пожаров в период с 1997 по 2001 год Эль-Ниньо / Ла-Ниньо" (PDF) . Наука . 303 (5654): 73–76. Bibcode : 2004Sci ... 303 ... 73V . DOI : 10.1126 / science.1090753 . PMID 14704424 . S2CID 21618974 .
- ^ Андреэ, Миссури; Мерле, П. (2001). «Выбросы микрогазов и аэрозолей при сжигании биомассы» . Глобальные биогеохимические циклы . 15 (4): 955. Bibcode : 2001GBioC..15..955A . DOI : 10.1029 / 2000GB001382 .
- Перейти ↑ Houghton, RA (2003). «Пересмотренные оценки годового чистого потока углерода в атмосферу в результате изменений в землепользовании и управлении земельными ресурсами 1850-2000 гг.». Теллус Б . 55 (2): 378–390. Bibcode : 2003TellB..55..378H . DOI : 10.1034 / j.1600-0889.2003.01450.x .
- ^ Накадзава, Т .; Morimoto, S .; Aoki, S .; Танака, М. (1997). «Временные и пространственные вариации отношения изотопов углерода в атмосферном углекислом газе в западной части Тихого океана» . Журнал геофизических исследований . 102 (D1): 1271–1285. Bibcode : 1997JGR ... 102.1271N . DOI : 10.1029 / 96JD02720 .
- ^ Килинг, CD; Whorf, TP; Wahlen, M .; Ван дер Plichtt, J. (1995). «Межгодовые экстремальные темпы роста содержания двуокиси углерода в атмосфере с 1980 года». Природа . 375 (6533): 666. Bibcode : 1995Natur.375..666K . DOI : 10.1038 / 375666a0 . S2CID 4238247 .
Внешние ссылки [ править ]
- Расширенный глобальный эксперимент с атмосферными газами
- Углекислый газ - глобальная циркуляция ( НАСА ; 13 декабря 2016 г.)
- Углекислый газ - Информационно-аналитический центр
- Мировой центр данных по парниковым газам
