Газ в атмосфере – Углекислый газ в атмосфере Земли — Википедия

Углекислый газ в атмосфере Земли — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Изменения концентрации CO₂ в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет (сверху — за последнюю тысячу лет)

Углекислый газ в атмосфере Земли является малой компонентой современной земной атмосферы, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет 0,02÷0,04% (250÷450 ppm). Начиная с середины XIX века отмечается устойчивый рост количества этого газа в атмосфере, с ноября 2015 года его среднемесячная концентрация стабильно превышает 400 ppm^[1].

Роль углекислого газа (CO₂, или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, диоксид углерода в воздухе влияет на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучаемое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты

[2].

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до 20% антропогенных выбросов CO₂ являются результатом обезлесения^[3][4]. Впервые антропогенное влияние на концентрацию диоксида углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп его роста увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7% за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO₂ в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет

[5]^[6].

ru.wikipedia.org

газ в атмосфере, 4 буквы, сканворд

газ в атмосфере

Альтернативные описания

• бесцветный газ с резким запахом, используемый для обеззараживания воды и воздуха

• вариант кислорода

• газ О3

• газ с резким запахом, соединение трех атомов кислорода

• газ, рождаемый грозой

• газ, состоящий из молекул кислорода с измененной структурой

• газ, употребляемый для очистки воздуха, воды

• символ свежести, воздуха после грозы

• трехатомный кислород

• ядовитый газ с резким запахом, образующийся при электрических разрядах из кислорода (молекулы О3)

• запах свежести

• режиссер фильма «8 женщин»

• аллотропная модификация кислорода

• французский композитор, постановщик фильма «8 женщин»

• по мнению людей, присутствовавших при ядерных испытаниях, этот запах сопровождает все атомные взрывы, а чем же пахнет после взрыва, если этот запах вам тоже знаком?

• какое название получил газ, открытый в 1839 году немецким химиком Кристианом Шенбейном, за характерный запах, несколько похожий на запах брома?

• газ, в котором человечество наделало много дыр

• кислород синего цвета

• газ, который в переводе с греческого означает «пахнущий»

• «дырявый» атмосферный газ

• газ, соединение трех атомов кислорода

• снял фильм «Восемь женщин»

• газ после молнии в небе

• газ с резким запахом

• «чистый воздух»

• газ и румынское трио

• газ, которым чистят воду

• особая форма кислорода

• газ в слое атмосферы

• газ в грозу

• газ, пахнущий свежестью

• «дырявый» газ

• утроенный кислород

• газ

• газ, очищающий воду

• тройной кислород

• воздух после грозы

• посиневший кислород

• кислород из трех атомов

• «продырявленный» газ

• кислород после грозового разряда

• гроза

• «аромат» грозы

• «дырявый» газ атмосферы

• газ со своими дырами в атмосфере

• «запах» грозы

• трехвалентный грозовой кислород

• каким газом пахнет в грозу?

• грозовой газ

• кислород

• грозовая свежесть

• газ, рожденный грозою

• газ, рожденный молнией

• снял фильм «Бассейн»

• три молекулы кислорода

• неполноценный грозовой кислород

• газ, дырявящий нашу атмосферу

• его слой дырявится в атмосфере

• рубашка земли

• грозовой запах

• газ синего цвета

• газ, дырявящий атмосферу

• пахучий газ

• три кислорода сразу

• синий газ

• придает запах воздуху

• «материал» для дыры

• три атома кислорода

• Грозовой газ

• Газ, соединение трех атомов кислорода

• Газ, состоящий из молекул кислорода с измененной структурой

• Аллотропная модификация кислорода, газ с резким запахом

• Французский кинорежиссёр (»Капли дождя на раскаленных камнях», »Под песком»)

scanwordhelper.ru

Углекислый газ в атмосфере Земли

Изменения концентрации CO₂ в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет (сверху — за последнюю тысячу лет)

Углекислый газ в атмосфере Земли является малой компонентой современной земной атмосферы, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет 0,02÷0,04% (250÷450 ppm). Начиная с середины XIX века отмечается устойчивый рост количества этого газа в атмосфере, с ноября 2015 года его среднемесячная концентрация стабильно превышает 400 ppm^[1].

Роль углекислого газа (CO₂, или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, диоксид углерода в воздухе влияет на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучаемое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты

[2].

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до 20% антропогенных выбросов CO₂ являются результатом обезлесения^[3][4]. Впервые антропогенное влияние на концентрацию диоксида углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп его роста увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7% за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO₂

в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет^[5][6].

Роль в парниковом эффекте

Спектр пропускания земной атмосферы (зависимость прозрачности от длины волны). Видны полосы поглощения CO₂, O₂, O₃ и H₂O.

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар.^[7] При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 ^Вт⁄_м², средняя температура на поверхности должна составлять −15 °C.^[7] В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +15 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 30 °C, из которых 20,6 °C объясняется наличием в воздухе водяного пара, а 7,2 °C.

[7] — углекислого газа. При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO₂ является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения 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.^[2]

Кроме парниковых свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха. 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.^[8] Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO₂ приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере.^[9]

[10]^[11] Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 г/моль) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты.^[12] Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго.

[13]^[14][15]

Источники углекислого газа

К естественным источникам диоксида 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 CO₂ в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO₂ приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путём 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.

Естественные источники

Большинство источников эмиссии по данным 98го года РФ CO₂ являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют 330 млрд.^[12] Пожары, возникающие в том числе по естественным причинам, из-за процесса горения в атмосфере и за счет обезлесения в случае выгорания лесных массивов приводят к эмиссии, которая сравнима с антропогенной. Например, в ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года (англ.)русск. было выделено 13—40 % от среднегодовой эмиссии CO₂, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив.^[16][17] Во времена молодой Земли вулканическая активность была главным источником углекислого газа, а сейчас его вулканическая эмиссия (около 130—230 млн тонн в год) составляет менее 1 % от антропогенной.^[18][19]

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы — часть CO₂ растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5·10¹¹ т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ·10¹² т, то в среднем весь атмосферный CO₂ участвует в углеродном цикле раз в шесть лет.^[12] Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO₂биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации.^[12][20]

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 диоксида углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO₂. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами.^[21] Соотношение увеличения количества CO₂ в атмосфере ко всему выделенному CO₂ составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет.^[20]

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO₂, 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 CO₂), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн.^[22] Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990).^[22] Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO₂, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO₂.^[23] Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на 39 % превысила доиндустриальное значение.^[24]

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO₂ 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.

Изменение температуры и углеродный цикл

К другим факторам, увеличивающим содержание CO₂ в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона, 1859 г).^[25]

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO₂ оставалось в пределах 100 ppm, то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило 40 %.^[26] При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума 9000÷5000 лет до н. э. была приблизительно на 1—2 °C выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала 9 °C.^[27]

Влияние вулканизма

Современный вулканизм в среднем приводит к выделению 2·10⁸ тонн CO₂ в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии.^[18] Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожжённого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ — второй по количеству (после водяного пара) газ, выделяемый вулканами. Большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворённым в воде.^[28] Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO₂, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объёма вулканической эмиссии CO₂.^[28]

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки 1783 года выделилось примерно 90 млн тонн CO₂, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн.^[28] Отдельные исследования указывают на несколько бо́льшее выделение диоксида углерода при упомянутых выше извержениях (Лаки 1783 г, ≈6,5·10⁸ т), но относительная редкость подобных событий делает их влияние на содержание углекислого газа несущественным и в этом случае.^[28]

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо 1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на 0,5 °C средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта. Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 1990-х годов. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO₂растительностью.^[29]

Современная концентрация

Изменение концентрации CO₂ за 50 лет.

В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO₂ в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm, в сентябре 2016 года превысила 400 ppm.^[30][31] Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm, в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3—9 ppm, которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии. Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO₂. Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы, осуществляющее фотосинтез, является наибольшим.^[32]

Весной 2016 года австралийские ученые установили, что концентрация диоксида углерода в атмосфере в районе острова Тасмания достигла 400 ppm^[33].

В 2017 году Всемирная метеорологическая организация сообщила, что концентрация диоксида углерода в атмосфере Земли достигла самого высокого уровня за последние 800 тысяч лет уровня: 403,3 ppm^[34].

В апреле 2018 года по данным Погодной обсерватории на Мауна-Лоа, средняя концентрация CO₂ достигла значения 410,26 ppm (или 0,041026 % углекислого газа в воздухе)^[35]. Такой среднемесячный показатель наблюдается впервые за всю историю человеческой цивилизации^[36].

Изменение концентрации в прошлом

Наиболее достоверным способом измерения концентраций атмосферного диоксида углерода в период времени до начала прямых измерений является определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии. Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO₂ оставался в пределах 260—284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени.^[37] Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO₂ в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике.^[38][39] Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция.^[40] В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO₂ в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO₂ на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180—210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280—300 ppm в более теплые периоды.^[5][26][41]

Изменения концентрации атмосферного углекислого газа в течение фанерозоя (последние 541 млн лет, современность слева). В течение бо́льшей части последних 550 млн лет уровень CO₂ значительно превосходил современный.

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO₂ определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO₂. Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии диоксида углерода с последующим изменением его уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.)русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO₂ в прошлом, которые 150—200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400—600 млн лет назад — 6 000 ppm (0,6 %).^[6]

Снижение уровня атмосферного CO₂ прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная примерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад — начало формирования современного ледяного щита Антарктиды) количество CO₂ составляло 760 ppm.^[42] По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

Взаимосвязь с концентрацией в океане

Обмен диоксидом углерода между водоёмами и воздухом

В земных океанах диоксида углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36·10¹² тонн в пересчёте на углерод. Растворенный в воде CO₂ содержится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO₂. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO₂. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO₂ в левой части уменьшает pH, то есть приводит к закислению океана. Другие реакции между диоксидом углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и его ионов.

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO₂. В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO₂, полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой.^[43]

Влияние концентрации CO₂ в атмосфере на продуктивность растений (фотосинтеза)

По способу фиксации CO₂ подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4. К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около 95% растительной биомассы Земли это С3-растения). К группе С4 принадлежат некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, просо.

С4-механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций CO₂ в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO₂ в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO₂ более 1000 ppm.

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO₂ в 400 ppm. Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент примерно 395 молекул на миллион (ppm), уже практически достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё еще очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO₂ приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на 41%, а у С4 — на 22%.

Добавление в окружающий воздух 300 ppm CO₂ приведет к росту продуктивности у С3-растений на 49% и у С4 — на 20%, у фруктовых деревьев и бахчевых культур — на 24%, бобовых — на 44%, корнеплодных — на 48%, овощных — на 37%.

С 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации CO₂ на 9%, отмечалось увеличение содержания биомассы в лесах Европы на 25—30%.^[44]

См. также

Примечания

1. ↑ Mauna Loa CO2 monthly mean data (англ.). Earth System Research Laboratory. Проверено 16 мая 2018.
2. ↑ ^{1 2}  (англ.) Petty, G.W.: A First Course in Atmospheric Radiation, pages 229—251, Sundog Publishing, 2004
3. ↑ http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.1.2 (p. 514-515)
4. ↑ www.un.org: Изменение климата.
5. ↑ ^{1 2}  (англ.) Deep ice tells long climate story, BBC News (4 сентября 2006). Проверено 28 апреля 2010.
6. ↑ ^{1 2}  (англ.) Climate Change 2001: The Scientific Basis
7. ↑ ^{1 2 3} Подрезов А. О., Аламанов С. К.; Лелевкин В. М., Подрезов О. А., Балбакова Ф. ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА и водные проблемы в Центральной Азии 18 (Москва – Бишкек, 2006). Архивировано 12 июля 2012 года.
8. ↑ ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА, Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики
9. ↑  (англ.) An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations, 1998 — 2012 Richard Shelquist
10. ↑ Абсолютная и относительная влажность
11. ↑  (англ.) Humidity 101, World Water Rescue Foundation
12. ↑ ^{1 2 3 4} Изменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие, World Bank Group: Хабиба Гитай
13. ↑  (англ.) Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions — PNAS
14. ↑  (англ.) WMO statement on the globa climate in 2010
15. ↑  (англ.) Bundle Up, It’s Global Warming, JUDAH COHEN, 25.12.2010
16. ↑  (англ.) Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming
17. ↑  (англ.) Massive peat burn is speeding climate change — 06 November 2004 — New Scientist
18. ↑ ^{1 2}  (англ.) Gerlach, T.M., 1992, Present-day CO₂ emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254 – 255
19. ↑  (англ.) U.S. Geological Survey, «Volcanic Gases and Their Effects», volcanoes.usgs.gov
20. ↑ ^{1 2} Keeling et al., 1995
21. ↑  (англ.) Abstract, Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks .
22. ↑ ^{1 2}  (англ.) Global carbon budget 2008, lgmacweb.env.uea.ac.uk
23. ↑  (англ.) US Global Change Research Information Office, «Common Questions about Climate Change»
24. ↑  (англ.) Carbon Budget 2009 Highlights, The Global Carbon Project.
25. ↑  (англ.) Usoskin, Ilya G. (2003). «A Millennium Scale Sunspot Number Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940’s» (PDF). Physical Review Letters 91: 211101. DOI:10.1103/PhysRevLett.91.211101.
26. ↑ ^{1 2}  (англ.) Vostok Ice Core Data, ncdc.noaa.gov
27. ↑  (англ.) V.L. Koshkarova and A.D. Koshkarov (2004). «Regional signatures of changing landscape and climate of northern central Siberia in the Holocene». Russian Geology and Geophysics 45 (6): 672–685.
28. ↑ ^{1 2 3 4}  (англ.) Volcanic Carbon Dioxide, Timothy Casey
29. ↑  (англ.) Mount Pinatubo as a Test of Climate Feedback Mechanisms, Alan Robock, Department of Environmental Sciences, Rutgers University
30. ↑  (англ.) Tans, Pieter. Globally averaged marine surface monthly mean data. NOAA/ESRL. Проверено 19 февраля 2014.
31. ↑  (англ.) Current atmospheric CO2 concentration at http://co2unting.com. Архивировано 12 июля 2012 года.
32. ↑  (англ.) Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) — Frequently Asked Questions
33. ↑ ТАСС: Наука — Австралийские ученые: уровень углекислого газа в мировой атмосфере достиг точки невозврата
34. ↑ Концентрация CO2 в атмосфере выросла до максимума за 800 тыс. лет
35. ↑ Mooney C. Earth’s atmosphere just crossed another troubling climate change threshold // The Washington Post. 2018-05-03.
36. ↑ Farand C. dioxide levels in Earth’s atmosphere reach ‘highest level in 800,000 years // The Independent. 2018-05-05.
37. ↑  (англ.) Historical CO2 record derived from a spline fit (20 year cutoff) of the Law Dome DE08 and DE08-2 ice cores. Проверено 12 июня 2007. Архивировано 12 июля 2012 года.
38. ↑  (англ.) Wagner, Friederike; Bent Aaby and Henk Visscher (2002). «Rapid atmospheric O₂ changes associated with the 8,200-years-B.P. cooling event». PNAS 99 (19): 12011–12014. DOI:10.1073/pnas.182420699. PMID 12202744.
39. ↑  (англ.) Indermühle, Andreas; Bernhard Stauffer, Thomas F. Stocker (1999). «Early Holocene Atmospheric CO₂ Concentrations». Science 286 (5446): 1815. DOI:10.1126/science.286.5446.1815a. Проверено May 26, 2005.
40. ↑  (англ.) Smith, H.J.; M Wahlen and D. Mastroianni (1997). «The CO₂ concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition». Geophysical Research Letters 24 (1): 1 – 4. DOI:10.1029/96GL03700.
41. ↑  (англ.) Chemical & Engineering News: Latest News — Ice Core Record Extended
42. ↑  (англ.) New CO2 data helps unlock the secrets of Antarctic formation September 13th, 2009
43. ↑  (англ.) Archer, D. (2005). Fate of fossil fuel CO₂ in geologic time. J. Geophys. Res., 110.
44. ↑ Реакция растений на рост концентрации углекислого газа в атмосфере, Акатов П. В.

Ссылки

wiki.sc

Газы атмосферы

Самый распространенный в атмосфере газ — азот. В нижних слоях атмосферы содержится 78% этого газа. Будучи в газообразном состоянии химически инертным, азот в соединениях, называемых нитратами, играет важную роль в обмене веществ в растительном покрове и животном мире.

Животные не могут усваивать азот непосредственно из воздуха. Но он входит в состав пищи, которую животные получают ежедневно в виде корма. Свободный азот из воздуха захватывается бактериями, содержащимися в корнях таких растений, как бобовые . Нитраты, создающиеся при этом растениями, становятся доступными для животных, питающихся этими растениями.

В биологическом отношении самый активный газ атмосферы — кислород. Его содержание в атмосфере — около 21 % — сравнительно неизменно. Это объясняется тем, что непрерывное использование кислорода животными уравновешивается выделением его растениями. Животные поглощают кислород в процессе дыхания. Растения же выделяют его как побочный продукт фотосинтеза, но и поглощают его при дыхании. В результате этих и других взаимосвязанных процессов общее количество кислорода в земной атмосфере, по крайней мере в настоящее время, более или менее сбалансировано, т. е. приблизительно постоянно.

С точки зрения метеоролога и климатолога одной из самых важных составных частей атмосферы является углекислый газ. Хотя по объему он занимает всего 0,03%, изменение его содержания может коренным образом изменить погоду и климат Земли. Позднее мы рассмотрим более подробно основные атмосферные процессы, в которых углекислый газ играет важную роль. Однако сейчас интересно отметить, что удвоение содержания углекислого газа в атмосфере, т. е. увеличение его объема до 0,06%, может повысить температуру на земном шаре на 3°С. На первый взгляд такое повышение кажется незначительным. Но оно стало бы причиной коренного изменения климата на всей Земле. Приблизительно в течение 120 лет, прошедших после начала великой промышленной революции прошлого века, человечество непрерывно увеличивало выброс в атмосферу не только углекислого, но и других газов. И хотя количество углекислого газа в атмосфере пока не удвоилось, средняя температура воздуха на Земле за период с 1869 по 1940 г. тем не менее выросла на 1°С. Правда, предполагают, что содержание углекислого газа на Земле менялось и в прошлом. Изменения эти безусловно могут влиять на климат и потому приковывают к себе внимание метеорологов и климатологов всего мира.

В атмосфере есть газы, которые не участвуют в биологических процессах, однако некоторые из них играют важную роль в переносе энергии в высоких слоях. К числу таких газов относятся аргон, неон, гелий, водород, ксенон, озон (трехатомная разновидность кислорода — О₃).

Еще записи по теме

www.obatmosfere.ru

Углекислый газ в атмосфере Земли — Википедия

Изменения концентрации CO₂ в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет (сверху — за последнюю тысячу лет)

Углекислый газ в атмосфере Земли является малой компонентой современной земной атмосферы, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет 0,02÷0,04% (250÷450 ppm). Начиная с середины XIX века отмечается устойчивый рост количества этого газа в атмосфере, с ноября 2015 года его среднемесячная концентрация стабильно превышает 400 ppm^[1].

Роль углекислого газа (CO₂, или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, диоксид углерода в воздухе влияет на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучаемое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты^[2].

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до 20% антропогенных выбросов CO₂ являются результатом обезлесения^[3][4]. Впервые антропогенное влияние на концентрацию диоксида углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп его роста увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7% за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO₂ в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет^[5][6].

Роль в парниковом эффекте

Спектр пропускания земной атмосферы (зависимость прозрачности от длины волны). Видны полосы поглощения CO₂, O₂, O₃ и H₂O.

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар.^[7] При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 ^Вт⁄_м², средняя температура на поверхности должна составлять −15 °C.^[7] В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +15 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 30 °C, из которых 20,6 °C объясняется наличием в воздухе водяного пара, а 7,2 °C.^[7] — углекислого газа. При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO₂ является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения 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.^[2]

Кроме парниковых свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO₂ — 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.^[8] Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO₂ приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере.^[9][10][11] Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 г/моль) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты.^[12] Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго.^[13][14][15]

Видео по теме

Источники углекислого газа

К естественным источникам диоксида 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 CO₂ в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO₂ приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путём 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.

Естественные источники

Большинство источников эмиссии по данным 98го года РФ CO₂ являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют 330 млрд.^[12] Пожары, возникающие в том числе по естественным причинам, из-за процесса горения в атмосфере и за счет обезлесения в случае выгорания лесных массивов приводят к эмиссии, которая сравнима с антропогенной. Например, в ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года (англ.)русск. было выделено 13—40 % от среднегодовой эмиссии CO₂, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив.^[16][17] Во времена молодой Земли вулканическая активность была главным источником углекислого газа, а сейчас его вулканическая эмиссия (около 130—230 млн тонн в год) составляет менее 1 % от антропогенной.^[18][19]

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы — часть CO₂ растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5·10¹¹ т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ·10¹² т, то в среднем весь атмосферный CO₂ участвует в углеродном цикле раз в шесть лет.^[12] Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO₂биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации.^[12][20]

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 диоксида углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO₂. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами.^[21] Соотношение увеличения количества CO₂ в атмосфере ко всему выделенному CO₂ составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет.^[20]

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO₂, 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 CO₂), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн.^[22] Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990).^[22] Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO₂, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO₂.^[23] Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на 39 % превысила доиндустриальное значение.^[24]

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO₂ 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.

Изменение температуры и углеродный цикл

К другим факторам, увеличивающим содержание CO₂ в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона, 1859 г).^[25]

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO₂ оставалось в пределах 100 ppm, то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило 40 %.^[26] При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума 9000÷5000 лет до н. э. была приблизительно на 1—2 °C выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала 9 °C.^[27]

Влияние вулканизма

Современный вулканизм в среднем приводит к выделению 2·10⁸ тонн CO₂ в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии.^[18] Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожжённого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ — второй по количеству (после водяного пара) газ, выделяемый вулканами. Большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворённым в воде.^[28] Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO₂, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объёма вулканической эмиссии CO₂.^[28]

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки 1783 года выделилось примерно 90 млн тонн CO₂, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн.^[28] Отдельные исследования указывают на несколько бо́льшее выделение диоксида углерода при упомянутых выше извержениях (Лаки 1783 г, ≈6,5·10⁸ т), но относительная редкость подобных событий делает их влияние на содержание углекислого газа несущественным и в этом случае.^[28]

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо 1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на 0,5 °C средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта. Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 1990-х годов. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO₂растительностью.^[29]

Современная концентрация

Изменение концентрации CO₂ за 50 лет.

В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO₂ в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm, в сентябре 2016 года превысила 400 ppm.^[30][31] Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm, в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3—9 ppm, которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии. Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO₂. Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы, осуществляющее фотосинтез, является наибольшим.^[32]

Весной 2016 года австралийские ученые установили, что концентрация диоксида углерода в атмосфере в районе острова Тасмания достигла 400 ppm^[33].

В 2017 году Всемирная метеорологическая организация сообщила, что концентрация диоксида углерода в атмосфере Земли достигла самого высокого уровня за последние 800 тысяч лет уровня: 403,3 ppm^[34].

В апреле 2018 года по данным Погодной обсерватории на Мауна-Лоа, средняя концентрация CO₂ достигла значения 410,26 ppm (или 0,041026 % углекислого газа в воздухе)^[35]. Такой среднемесячный показатель наблюдается впервые за всю историю человеческой цивилизации^[36].

Изменение концентрации в прошлом

Наиболее достоверным способом измерения концентраций атмосферного диоксида углерода в период времени до начала прямых измерений является определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии. Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO₂ оставался в пределах 260—284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени.^[37] Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO₂ в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике.^[38][39] Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция.^[40] В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO₂ в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO₂ на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180—210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280—300 ppm в более теплые периоды.^[5][26][41]

Изменения концентрации атмосферного углекислого газа в течение фанерозоя (последние 541 млн лет, современность слева). В течение бо́льшей части последних 550 млн лет уровень CO₂ значительно превосходил современный.

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO₂ определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO₂. Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии диоксида углерода с последующим изменением его уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.)русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO₂ в прошлом, которые 150—200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400—600 млн лет назад — 6 000 ppm (0,6 %).^[6]

Снижение уровня атмосферного CO₂ прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная примерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад — начало формирования современного ледяного щита Антарктиды) количество CO₂ составляло 760 ppm.^[42] По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

Взаимосвязь с концентрацией в океане

Обмен диоксидом углерода между водоёмами и воздухом

В земных океанах диоксида углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36·10¹² тонн в пересчёте на углерод. Растворенный в воде CO₂ содержится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO₂. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO₂. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO₂ в левой части уменьшает pH, то есть приводит к закислению океана. Другие реакции между диоксидом углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и его ионов.

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO₂. В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO₂, полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой.^[43]

Влияние концентрации CO₂ в атмосфере на продуктивность растений (фотосинтеза)

По способу фиксации CO₂ подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4. К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около 95% растительной биомассы Земли это С3-растения). К группе С4 принадлежат некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, просо.

С4-механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций CO₂ в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO₂ в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO₂ более 1000 ppm.

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO₂ в 400 ppm. Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент примерно 395 молекул на миллион (ppm), уже практически достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё еще очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO₂ приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на 41%, а у С4 — на 22%.

Добавление в окружающий воздух 300 ppm CO₂ приведет к росту продуктивности у С3-растений на 49% и у С4 — на 20%, у фруктовых деревьев и бахчевых культур — на 24%, бобовых — на 44%, корнеплодных — на 48%, овощных — на 37%.

С 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации CO₂ на 9%, отмечалось увеличение содержания биомассы в лесах Европы на 25—30%.^[44]

См. также

Примечания

1. ↑ Mauna Loa CO2 monthly mean data (англ.). Earth System Research Laboratory. Проверено 16 мая 2018.
2. ↑ ^{1 2}  (англ.) Petty, G.W.: A First Course in Atmospheric Radiation, pages 229—251, Sundog Publishing, 2004
3. ↑ http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.1.2 (p. 514-515)
4. ↑ www.un.org: Изменение климата.
5. ↑ ^{1 2}  (англ.) Deep ice tells long climate story, BBC News (4 сентября 2006). Проверено 28 апреля 2010.
6. ↑ ^{1 2}  (англ.) Climate Change 2001: The Scientific Basis
7. ↑ ^{1 2 3} Подрезов А. О., Аламанов С. К.; Лелевкин В. М., Подрезов О. А., Балбакова Ф. ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА и водные проблемы в Центральной Азии 18 (Москва – Бишкек, 2006). Архивировано 12 июля 2012 года.
8. ↑ ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА, Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики
9. ↑  (англ.) An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations, 1998 — 2012 Richard Shelquist
10. ↑ Абсолютная и относительная влажность
11. ↑  (англ.) Humidity 101, World Water Rescue Foundation
12. ↑ ^{1 2 3 4} Изменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие, World Bank Group: Хабиба Гитай
13. ↑  (англ.) Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions — PNAS
14. ↑  (англ.) WMO statement on the globa climate in 2010
15. ↑  (англ.) Bundle Up, It’s Global Warming, JUDAH COHEN, 25.12.2010
16. ↑  (англ.) Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming
17. ↑  (англ.) Massive peat burn is speeding climate change — 06 November 2004 — New Scientist
18. ↑ ^{1 2}  (англ.) Gerlach, T.M., 1992, Present-day CO₂ emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254 – 255
19. ↑  (англ.) U.S. Geological Survey, «Volcanic Gases and Their Effects», volcanoes.usgs.gov
20. ↑ ^{1 2} Keeling et al., 1995
21. ↑  (англ.) Abstract, Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks .
22. ↑ ^{1 2}  (англ.) Global carbon budget 2008, lgmacweb.env.uea.ac.uk
23. ↑  (англ.) US Global Change Research Information Office, «Common Questions about Climate Change»
24. ↑  (англ.) Carbon Budget 2009 Highlights, The Global Carbon Project.
25. ↑  (англ.) Usoskin, Ilya G. (2003). «A Millennium Scale Sunspot Number Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940’s» (PDF). Physical Review Letters 91: 211101. DOI:10.1103/PhysRevLett.91.211101.
26. ↑ ^{1 2}  (англ.) Vostok Ice Core Data, ncdc.noaa.gov
27. ↑  (англ.) V.L. Koshkarova and A.D. Koshkarov (2004). «Regional signatures of changing landscape and climate of northern central Siberia in the Holocene». Russian Geology and Geophysics 45 (6): 672–685.
28. ↑ ^{1 2 3 4}  (англ.) Volcanic Carbon Dioxide, Timothy Casey
29. ↑  (англ.) Mount Pinatubo as a Test of Climate Feedback Mechanisms, Alan Robock, Department of Environmental Sciences, Rutgers University
30. ↑  (англ.) Tans, Pieter. Globally averaged marine surface monthly mean data. NOAA/ESRL. Проверено 19 февраля 2014.
31. ↑  (англ.) Current atmospheric CO2 concentration at http://co2unting.com. Архивировано 12 июля 2012 года.
32. ↑  (англ.) Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) — Frequently Asked Questions
33. ↑ ТАСС: Наука — Австралийские ученые: уровень углекислого газа в мировой атмосфере достиг точки невозврата
34. ↑ Концентрация CO2 в атмосфере выросла до максимума за 800 тыс. лет
35. ↑ Mooney C. Earth’s atmosphere just crossed another troubling climate change threshold // The Washington Post. 2018-05-03.
36. ↑ Farand C. dioxide levels in Earth’s atmosphere reach ‘highest level in 800,000 years // The Independent. 2018-05-05.
37. ↑  (англ.) Historical CO2 record derived from a spline fit (20 year cutoff) of the Law Dome DE08 and DE08-2 ice cores. Проверено 12 июня 2007. Архивировано 12 июля 2012 года.
38. ↑  (англ.) Wagner, Friederike; Bent Aaby and Henk Visscher (2002). «Rapid atmospheric O₂ changes associated with the 8,200-years-B.P. cooling event». PNAS 99 (19): 12011–12014. DOI:10.1073/pnas.182420699. PMID 12202744.
39. ↑  (англ.) Indermühle, Andreas; Bernhard Stauffer, Thomas F. Stocker (1999). «Early Holocene Atmospheric CO₂ Concentrations». Science 286 (5446): 1815. DOI:10.1126/science.286.5446.1815a. Проверено May 26, 2005.
40. ↑  (англ.) Smith, H.J.; M Wahlen and D. Mastroianni (1997). «The CO₂ concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition». Geophysical Research Letters 24 (1): 1 – 4. DOI:10.1029/96GL03700.
41. ↑  (англ.) Chemical & Engineering News: Latest News — Ice Core Record Extended
42. ↑  (англ.) New CO2 data helps unlock the secrets of Antarctic formation September 13th, 2009
43. ↑  (англ.) Archer, D. (2005). Fate of fossil fuel CO₂ in geologic time. J. Geophys. Res., 110.
44. ↑ Реакция растений на рост концентрации углекислого газа в атмосфере, Акатов П. В.

Ссылки

wiki2.red

Инертные газы в атмосфере

Атмосфера – это смесь из десяти газов, которые окружают Землю. Благодаря этим газам, обеспечивается существование живых организмов. На 21 % атмосфера состоит из кислорода; также важную роль играют инертные газы. В наибольшем количестве в воздухе содержится азот – он составляет около 78 %. Азот обладает инертными свойствами, благодаря которым широко применяется во многих областях промышленности. А вследствие того, что процентное содержание его довольно высоко, он является наиболее доступным, а, следовательно, и дешевым инертным газом, который может быть получен путем разделения атмосферного воздуха.

Оставшийся процент составляет небольшое количество углекислого газа, а также такие инертные газы в атмосфере, как аргон (преимущественно), неон и гелий. Мизерную долю в атмосфере составляют аммиак, двуокись серы, озон, водяные пары и угарный газ. Также в атмосфере присутствуют различные загрязняющие вещества: частицы дыма, пыль, соль, вулканический пепел.

Ксенон и криптон – инертные газы в атмосфере, составляющие ее ничтожно малую долю. Криптон содержится в количестве, не превышающем одну миллионную долю, а ксенон – 0,087 миллионных долей. Некоторые ученые выдвигают интересные предположения относительно возникновения этих элементов. Одни считают, что криптон и ксенон попали в атмосферу через трещины в коре земного шара, появившиеся в результате остывания планеты. Другие полагают, что эти газы принесли метеориты, которые бомбардировали планету 3,9 миллиарда лет тому назад.

В целом, инертные газы в атмосфере были обнаружены в 1894 году. Начали исследование воздушного состава Джозеф Пристли и Карл Шееле в 1774 году. Они открыли кислород. Потом был исследован недеятельный остаток после удаления кислорода Даниелем Резерфордом. Еще десять лет спустя, Генри Кавендиш продолжил исследовать этот остаток, проверяя однородность получившегося газа.

В 1894 году Джон Уильям Страйт заметил, что азот, добытый из воздуха после удаления кислорода, обладает большей плотностью по сравнению с полученным азотом из химических соединений. Затем к нему присоединился Уильям Рамзай, который выяснил, что к атмосферному газу примешивается более тяжелый. Таким образом, был открыт аргон. Затем был открыт криптон.

После открытия гелия, неона, аргона и криптона, ксенон долгое время не удавалось найти. Его содержание в кубометре воздуха составляет всего 0,08 миллилитра (для сравнения: в этом же объеме аргон составляет 9,3 литра). Однако, не смотря на то, что ксенон содержится в воздухе в крошечном количестве, именно воздух является практически единственным и неисчерпаемым его источником. Примечательно, что почти весь ксенон после использования возвращается снова в атмосферу.

На сегодняшний день, получение инертных газов из воздуха довольно распространено. Этот процесс заключается в следующем: предварительно очищенный от углекислоты и влаги воздух сначала сжижают, а потом испаряют. При этом в первую очередь «улетучиваются» наиболее легкие газы. После испарения основной массы воздуха остаются инертные газы, являющиеся более тяжелыми, которые затем рассортировываются.

azotnaya.ru

Углекислый газ в атмосфере Земли — Википедия

Изменения концентрации CO₂ в ppm на протяжении последних 400 тыс. лет (сверху — за последнюю тысячу лет)

Углекислый газ в атмосфере Земли является малой компонентой современной земной атмосферы, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет 0,02÷0,04% (250÷450 ppm). Начиная с середины XIX века отмечается устойчивый рост количества этого газа в атмосфере, с ноября 2015 года его среднемесячная концентрация стабильно превышает 400 ppm^[1].

Роль углекислого газа (CO₂, или диоксид углерода) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, диоксид углерода в воздухе влияет на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучаемое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты^[2].

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до 20% антропогенных выбросов CO₂ являются результатом обезлесения^[3][4]. Впервые антропогенное влияние на концентрацию диоксида углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп его роста увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7% за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO₂ в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет^[5][6].

Спектр пропускания земной атмосферы (зависимость прозрачности от длины волны). Видны полосы поглощения CO₂, O₂, O₃ и H₂O.

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар.^[7] При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 ^Вт⁄_м², средняя температура на поверхности должна составлять −15 °C.^[7] В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +15 °C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 30 °C, из которых 20,6 °C объясняется наличием в воздухе водяного пара, а 7,2 °C.^[7] — углекислого газа. При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO₂ является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения 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.^[2]

Кроме парниковых свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO₂ — 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.^[8] Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO₂ приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере.^[9][10][11] Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 г/моль) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты.^[12] Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго.^[13][14][15]

К естественным источникам диоксида 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 CO₂ в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO₂ приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путём 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.

Естественные источники[править | править код]

Большинство источников эмиссии по данным 98го года РФ CO₂ являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют 330 млрд.^[12] Пожары, возникающие в том числе по естественным причинам, из-за процесса горения в атмосфере и за счет обезлесения в случае выгорания лесных массивов приводят к эмиссии, которая сравнима с антропогенной. Например, в ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года (англ.)русск. было выделено 13—40 % от среднегодовой эмиссии CO₂, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив.^[16][17] Во времена молодой Земли вулканическая активность была главным источником углекислого газа, а сейчас его вулканическая эмиссия (около 130—230 млн тонн в год) составляет менее 1 % от антропогенной.^[18][19]

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы — часть CO₂ растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5⋅10¹¹ т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ⋅10¹² т, то в среднем весь атмосферный CO₂ участвует в углеродном цикле раз в шесть лет.^[12] Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO₂биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации.^[12][20]

Антропогенная эмиссия[править | править код]

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 диоксида углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO₂. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами.^[21] Соотношение увеличения количества CO₂ в атмосфере ко всему выделенному CO₂ составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет.^[20]

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO₂, 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 CO₂), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн.^[22] Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990).^[22] Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO₂, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO₂.^[23] Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на 39 % превысила доиндустриальное значение.^[24]

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO₂ 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.

Изменение температуры и углеродный цикл[править | править код]

К другим факторам, увеличивающим содержание CO₂ в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона, 1859 г).^[25]

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO₂ оставалось в пределах 100 ppm, то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило 40 %.^[26] При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума 9000÷5000 лет до н. э. была приблизительно на 1—2 °C выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала 9 °C.^[27]

Влияние вулканизма[править | править код]

Современный вулканизм в среднем приводит к выделению 2⋅10⁸ тонн CO₂ в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии.^[18] Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожжённого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ — второй по количеству (после водяного пара) газ, выделяемый вулканами. Большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворённым в воде.^[28] Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO₂, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объёма вулканической эмиссии CO₂.^[28]

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки 1783 года выделилось примерно 90 млн тонн CO₂, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн.^[28] Отдельные исследования указывают на несколько бо́льшее выделение диоксида углерода при упомянутых выше извержениях (Лаки 1783 г, ≈6,5⋅10⁸ т), но относительная редкость подобных событий делает их влияние на содержание углекислого газа несущественным и в этом случае.^[28]

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо 1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на 0,5 °C средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта. Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 1990-х годов. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO₂растительностью.^[29]

Изменение концентрации CO₂ за 50 лет.

В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO₂ в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm, в сентябре 2016 года превысила 400 ppm.^[30][31] Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm, в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3—9 ppm, которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии. Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO₂. Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы, осуществляющее фотосинтез, является наибольшим.^[32]

Весной 2016 года австралийские ученые установили, что концентрация диоксида углерода в атмосфере в районе острова Тасмания достигла 400 ppm^[33].

В 2017 году Всемирная метеорологическая организация сообщила, что концентрация диоксида углерода в атмосфере Земли достигла самого высокого уровня за последние 800 тысяч лет уровня: 403,3 ppm^[34].

В апреле 2018 года по данным Погодной обсерватории на Мауна-Лоа, средняя концентрация CO₂ достигла значения 410,26 ppm (или 0,041026 % углекислого газа в воздухе)^[35]. Такой среднемесячный показатель наблюдается впервые за всю историю человеческой цивилизации^[36].

Наиболее достоверным способом измерения концентраций атмосферного диоксида углерода в период времени до начала прямых измерений является определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии. Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO₂ оставался в пределах 260—284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени.^[37] Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO₂ в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике.^[38][39] Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция.^[40] В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO₂ в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO₂ на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180—210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280—300 ppm в более теплые периоды.^[5][26][41]

Изменения концентрации атмосферного углекислого газа в течение фанерозоя (последние 541 млн лет, современность слева). В течение бо́льшей части последних 550 млн лет уровень CO₂ значительно превосходил современный.

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO₂ определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO₂. Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии диоксида углерода с последующим изменением его уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.)русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO₂ в прошлом, которые 150—200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400—600 млн лет назад — 6 000 ppm (0,6 %).^[6]

Снижение уровня атмосферного CO₂ прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная примерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад — начало формирования современного ледяного щита Антарктиды) количество CO₂ составляло 760 ppm.^[42] По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

Взаимосвязь с концентрацией в океане[править | править код]

Обмен диоксидом углерода между водоёмами и воздухом

В земных океанах диоксида углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36⋅10¹² тонн в пересчёте на углерод. Растворенный в воде CO₂ содержится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO₂. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO₂. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO₂ в левой части уменьшает pH, то есть приводит к закислению океана. Другие реакции между диоксидом углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и его ионов.

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO₂. В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO₂, полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой.^[43]

Влияние концентрации CO₂ в атмосфере на продуктивность растений (фотосинтеза)[править | править код]

По способу фиксации CO₂ подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4. К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около 95% растительной биомассы Земли это С3-растения). К группе С4 принадлежат некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, просо.

С4-механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций CO₂ в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO₂ в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO₂ более 1000 ppm.

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO₂ в 400 ppm. Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент примерно 395 молекул на миллион (ppm), уже практически достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё еще очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO₂ приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на 41%, а у С4 — на 22%.

Добавление в окружающий воздух 300 ppm CO₂ приведет к росту продуктивности у С3-растений на 49% и у С4 — на 20%, у фруктовых деревьев и бахчевых культур — на 24%, бобовых — на 44%, корнеплодных — на 48%, овощных — на 37%.

С 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации CO₂ на 9%, отмечалось увеличение содержания биомассы в лесах Европы на 25—30%.^[44]

1. ↑ Mauna Loa CO2 monthly mean dataEnglish. Earth System Research Laboratory. Проверено 16 мая 2018.
2. ↑ ^{1 2}  (англ.) Petty, G.W.: A First Course in Atmospheric Radiation, pages 229—251, Sundog Publishing, 2004
3. ↑ http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.1.2 (p. 514-515)
4. ↑ www.un.org: Изменение климата.
5. ↑ ^{1 2}  (англ.) Deep ice tells long climate story, BBC News (4 сентября 2006). Проверено 28 апреля 2010.
6. ↑ ^{1 2}  (англ.) Climate Change 2001: The Scientific Basis
7. ↑ ^{1 2 3} Подрезов А. О., Аламанов С. К.; Лелевкин В. М., Подрезов О. А., Балбакова Ф. ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА и водные проблемы в Центральной Азии (неопр.) 18 (Москва – Бишкек, 2006). Архивировано 12 июля 2012 года.
8. ↑ ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА, Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики
9. ↑  (англ.) An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations, 1998 — 2012 Richard Shelquist
10. ↑ Абсолютная и относительная влажность
11. ↑  (англ.) Humidity 101, World Water Rescue Foundation
12. ↑ ^{1 2 3 4} Изменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие, World Bank Group: Хабиба Гитай
13. ↑  (англ.) Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions — PNAS
14. ↑  (англ.) WMO statement on the globa climate in 2010
15. ↑  (англ.) Bundle Up, It’s Global Warming, JUDAH COHEN, 25.12.2010
16. ↑  (англ.) Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming
17. ↑  (англ.) Massive peat burn is speeding climate change — 06 November 2004 — New Scientist
18. ↑ ^{1 2}  (англ.) Gerlach, T.M., 1992, Present-day CO₂ emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254 – 255
19. ↑  (англ.) U.S. Geological Survey, «Volcanic Gases and Their Effects», volcanoes.usgs.gov
20. ↑ ^{1 2} Keeling et al., 1995
21. ↑  (англ.) Abstract, Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks .
22. ↑ ^{1 2}  (англ.) Global carbon budget 2008, lgmacweb.env.uea.ac.uk
23. ↑  (англ.) US Global Change Research Information Office, «Common Questions about Climate Change»
24. ↑  (англ.) Carbon Budget 2009 Highlights, The Global Carbon Project.
25. ↑  (англ.) Usoskin, Ilya G.; Solanki, Sami K.; Schüssler, Manfred; Mursula, Kalevi; Alanko, Katja (2003). “A Millennium Scale Sunspot Number Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940’s” (PDF). Physical Review Letters. 91: 211101. DOI:10.1103/PhysRevLett.91.211101.
26. ↑ ^{1 2}  (англ.) Vostok Ice Core Data, ncdc.noaa.gov
27. ↑  (англ.) V.L. Koshkarova and A.D. Koshkarov (2004). “Regional signatures of changing landscape and climate of northern central Siberia in the Holocene”. Russian Geology and Geophysics. 45 (6): 672—685.
28. ↑ ^{1 2 3 4}  (англ.) Volcanic Carbon Dioxide, Timothy Casey
29. ↑  (англ.) Mount Pinatubo as a Test of Climate Feedback Mechanisms, Alan Robock, Department of Environmental Sciences, Rutgers University
30. ↑  (англ.) Tans, Pieter. Globally averaged marine surface monthly mean data (неопр.). NOAA/ESRL. Проверено 19 февраля 2014.
31. ↑  (англ.) Current atmospheric CO2 concentration at http://co2unting.com (неопр.). Архивировано 12 июля 2012 года.
32. ↑  (англ.) Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) — Frequently Asked Questions
33. ↑ ТАСС: Наука — Австралийские ученые: уровень углекислого газа в мировой атмосфере достиг точки невозврата
34. ↑ Концентрация CO2 в атмосфере выросла до максимума за 800 тыс. лет
35. ↑ Mooney C. Earth’s atmosphere just crossed another troubling climate change threshold // The Washington Post. 2018-05-03.
36. ↑ Farand C. dioxide levels in Earth’s atmosphere reach ‘highest level in 800,000 years // The Independent. 2018-05-05.
37. ↑  (англ.) Historical CO2 record derived from a spline fit (20 year cutoff) of the Law Dome DE08 and DE08-2 ice cores (неопр.). Проверено 12 июня 2007. Архивировано 12 июля 2012 года.
38. ↑  (англ.) Wagner, Friederike; Bent Aaby and Henk Visscher (2002). “Rapid atmospheric O₂ changes associated with the 8,200-years-B.P. cooling event”. PNAS. 99 (19): 12011—12014. DOI:10.1073/pnas.182420699. PMC 129389. PMID 12202744.
39. ↑  (англ.) Indermühle, Andreas; Bernhard Stauffer, Thomas F. Stocker (1999). “Early Holocene Atmospheric CO₂ Concentrations”. Science. 286 (5446): 1815. DOI:10.1126/science.286.5446.1815a. Проверено May 26, 2005.
40. ↑  (англ.) Smith, H.J.; M Wahlen and D. Mastroianni (1997). “The CO₂ concentration of air trapped in GISP2 ice from the Last Glacial Maximum-Holocene transition”. Geophysical Research Letters. 24 (1): 1—4. DOI:10.1029/96GL03700.
41. ↑  (англ.) Chemical & Engineering News: Latest News — Ice Core Record Extended
42. ↑  (англ.) New CO2 data helps unlock the secrets of Antarctic formation September 13th, 2009
43. ↑  (англ.) Archer, D. (2005). Fate of fossil fuel CO₂ in geologic time. J. Geophys. Res., 110.
44. ↑ Реакция растений на рост концентрации углекислого газа в атмосфере, Акатов П. В.

ru.wikiyy.com