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
В сентябре 2016 года концентрация углекислого газа в атмосфере Земли преодолела психологически значимую отметку в 400 ppm (долей на миллион). Это делает сомнительными планы развитых стран по недопущению повышения температуры на Земле более чем на 2 градуса.
Глобальное потепление — это повышение средней температуры климатической системы Земли. За период с 1906 по 2005 год средняя температура воздуха возле поверхности планеты выросла на 0,74 градуса, причем темпы роста температуры во второй половине столетия примерно в два раза выше, чем за период в целом. За все время наблюдений самым жарким считается 2015 год, когда все температурные показатели на 0,13 градуса превысили показатели 2014 года — предыдущего рекордсмена. В различных частях земного шара температуры меняются по-разному. С 1979 года температура над сушей выросла вдвое больше, чем над океаном. Объясняется это тем, что температура воздуха над океаном растет медленнее из-за его большой теплоемкости.
Движение углекислого газа в атмосфере
Основной причиной глобального потепления считается деятельность человека. Косвенными методами исследования было показано, что до 1850 года на протяжении одной или двух тысяч лет температура оставалась относительно стабильной, правда с некоторыми региональными флуктуациями.
Таким образом, начало климатических изменений практически совпадает с началом промышленной революции в большинстве западных стран. Основной причиной на сегодняшний день считаются выбросы парниковых газов. Дело в том, что часть энергии, которую планета Земля получает от Солнца, переизлучается обратно в космическое пространство в виде теплового излучения.
Парниковые газы затрудняют этот процесс, частично поглощая тепло и удерживая его в атмосфере.
Добавление в атмосферу парниковых газов ведет к еще большему разогреву атмосферы и росту температуры у поверхности планеты. Основные парниковые газы в атмосфере Земли — это углекислый газ (СО 2) и метан (СН 4). В результате промышленной деятельности человечества в воздухе растет концентрация именно этих газов, что приводит к ежегодному росту температуры.
Поскольку потепление климата угрожает буквально всему человечеству, в мире неоднократно принимаются попытки взять этот процесс под контроль. До 2012 года основным мировым соглашением о противодействии глобальному потеплению был Киотский протокол.
Он охватывал более 160 стран мира и покрывал 55% мировых выбросов парниковых газов. Однако после окончания первого этапа Киотского протокола страны-участники не смогли договориться о дальнейших действиях. Отчасти составлению второго этапа договора помешало то, что многие участники избегают применения бюджетного подхода для определения своих обязательств в отношении эмиссии СО 2 . Эмиссионный бюджет СО 2 — количество выбросов за определенный период времени, который рассчитывается из температуры, которую участники не должны превысить.
Согласно решениям, принятым в Дурбане, никакое обязывающее климатическое соглашение не будет действовать до 2020 года, несмотря на необходимость срочно предпринять усилия по сокращению эмиссии газа и снизить выбросы. Исследования показывают, что в настоящее время единственной возможностью обеспечить «разумную вероятность» ограничения потепления величиной 2 градуса (характеризующей опасное изменение климата) будет ограничение экономик развитых стран и их переход к стратегии антироста.
И вот в сентябре 2016 года, по данным обсерватории Мауна-Лоа, был преодолен очередной психологический барьер эмиссии парникового газа СО 2 — 400 ppm (долей на миллион). Нужно сказать, что эта величина многократно превышалась и раньше,
но сентябрь традиционно считается месяцем с самой низкой концентрацией СО 2 в Северном полушарии.
Объясняется это тем, что зеленая растительность успевает за лето поглотить некоторое количество парникового газа из атмосферы, прежде чем листья с деревьев опадут и часть СО 2 вернется обратно. Поэтому если психологически важный порог в 400 ppm был превышен именно в сентябре, то, скорее всего, ежемесячные показатели уже никогда не будут ниже этого значения.
«Возможно ли, что в октябре этого года концентрация снизится по сравнению с сентябрем? Полностью исключено,
— поясняет в своем блоге Ральф Килинг, сотрудник Скриппсовского института океанографии Сан-Диего. — Кратковременные падения уровня концентрации возможны, но усредненные за месяц величины теперь всегда будут превышать 400 ppm».
Также Килинг отмечает, что тропические циклоны могут снизить уровень концентрации СО 2 на короткое время. С ним соглашается и Гэвин Шмидт, главный климатолог : «В лучшем случае можно ожидать некий баланс, и уровень СО 2 не будет расти слишком быстро. Но, по моему мнению, СО 2 уже никогда не упадет ниже 400 ppm».
Согласно прогнозу, к 2099 году концентрация СО 2 на Земле будет равняться 900 ppm, что составит порядка 0,1% от всей атмосферы нашей планеты. В результате средняя дневная температура в таких городах, как Иерусалим, Нью-Йорк, Лос-Анджелес и Мумбаи, будет близка к +45°C. В Лондоне, Париже и Москве летом температура будет превышать +30°C.
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.
