През последните три милиона години Земята е претърпяла много ритмични колебания, влизайки и излизайки от ледникови периоди в така наречените цикли на Миланкович (на името на сръбския астрофизик). Циклите на Миланкович в орбитата на Земята променят ъгъла и количеството слънчева светлина, която удря повърхността на нашата планета. Но тези промени в климата биха били много по-малки, ако не беше усилващият ефект от промените в концентрациите на парникови газове. Климатични записи като ледени блокове ни показват точно как тези газови концентрации се променят с времето, защото съдържат мехурчета от древен въздух. От нас зависи да разберем защо парниковите газове влизат и излизат от атмосферата. Например, къде изчезна целият въглероден диоксид от атмосферата, когато топлите периоди отстъпиха място на ледниковите?

Въглероден диоксид в океана

Основният заподозрян е Южният океан. Водата, богата на въглероден диоксид, се издига на повърхността и я обменя с атмосферата. Ако тази вентилация се забави, нивото на въглероден диоксид в атмосферата ще спадне. Намаленото повдигане на дълбоки води, причинено от вода с по-ниска плътност край бреговете на Антарктика, например, може да обясни спада на въглеродния диоксид до 40 ppm от около 100 ppm по време на последните заледявания.

В същото време много фактори остават неотчетени. В края на 80-те години океанолозите решават един от пъзелите. Те откриха области на океана, където критичните хранителни вещества азот и фосфор са в изобилие, но където продуктивността на фотосинтезата е ниска. Какво задържа фитопланктона на място? Ограничено предлагане на желязо.

Желязото във въздушния прах може да се транспортира на дълги разстояния от сухи райони; когато бъде пуснат в океана, той подхранва растежа на морския фитопланктон. Джон Х. Мартин и колегите му предполагат, че това обяснява къде отива част от въглеродния диоксид по време на ледникови периоди. Ако повече прах и желязо попаднат в океаните, повишената биологична активност може да привлече въглерод в дълбокия океан.

Ледените шапки на Антарктида през ледниковите периоди съдържат големи количества прах във въздуха, голяма част от който се смята, че идва от Патагония в Южна Америка. Обширната равнина от седименти, излизащи изпод топящия се ледник, е идеален източник на прах. Това е особено вярно в Патагония, където ветровете са силни и валежите през ледниковите периоди са били особено изразени. Колкото по-големи са ледниците тук, толкова повече прах има във въздуха, който духа над Южния океан.

Растежът на фитопланктона, "оплоден" от цялото това желязо, ще премести въглеродния диоксид от атмосферата в дълбокия океан. Въглеродният диоксид, или по-скоро част от него, се поема от фитопланктона по време на фотосинтезата, като се получава енергия и материал за растежа на клетките. Когато умре и потъне на дъното, той отнася въглерода със себе си.

Страхотна идея, но как да я тествам?

През годините са правени опити да се провери теорията, но резултатите са били неясни. Те разчитат до голяма степен на факта, че фитопланктонът вероятно използва нитратни молекули, съдържащи 14-атомен азот (най-често срещаният изотоп), а не 15-азотен. Точното съотношение на азот-15 към азот-14 във фитопланктона зависи от това колко нитрат е наличен, ако има дефицит, тогава се използва всеки от изотопите. Ако част от океана с дефицит на желязо бъде оплодена от прах във въздуха, ще се използват повече нитрати и концентрацията ще намалее. Така че изотопното съотношение на азота (което може да бъде записано в утайката) ни казва колко нитрат е бил използван.

Ново проучване, ръководено от Алфредо Мартинес-Гарсия в ETH Zrich, предоставя още по-добър тест на хипотезата за торене с желязо. Технологичният напредък позволи на изследователите да измерват азотни изотопи в калциево-карбонатни черупки на планктон, наречен фораминифера, в ядрата на седимента на морското дъно. Предишни проучвания анализираха диатомеи или самата утайка. И в двата случая имаше объркващи фактори, които усложняваха тълкуването на резултатите. Изследователите също са извлекли записи за фотосинтетична продуктивност и желязо от вятъра, които обхващат период от 160 000 години.

Корелацията между изотопите на азота и желязото беше доста силна. Съдържанието на желязо се увеличи с охлаждането на климата по време на последното заледяване, произтичащо от ветровете от Патагония, и концентрациите на нитрати на повърхността на океана изглежда са намалели. Анализът също така показа по-високи нива на фотосинтеза през тези периоди.

Данните сочат ясно изразено въздействие на наторяването с желязо, което би донесло повече въглерод от атмосферата в дълбокия океан. Същият процес протича за по-кратки периоди от време, като допринася за промените в CO 2 по време на по-малки климатични колебания, продължаващи само няколко хиляди години.

Записи като тези помагат да се изясни ролята на Южния океан сред другите части на климатичната система, които трансформират орбиталните цикли на Миланкович в значителни климатични промени.

Много голям. Въглеродният диоксид участва в образуването на цялата жива материя на планетата и заедно с молекулите на водата и метана създава така наречения „парников (парников) ефект“.

Стойност на въглеродния диоксид ( CO 2 диоксидили въглероден двуокис) в живота на биосферата се състои предимно от поддържане на процеса на фотосинтеза, който се извършва от растенията.

Битие парников газ, въглеродният диоксид във въздуха влияе на топлообмена на планетата с околното пространство, като ефективно блокира повторно излъчваната топлина на редица честоти и по този начин участва в образуването.

Напоследък се наблюдава повишаване на концентрацията на въглероден диоксид във въздуха, което води до...

Въглеродът (C) в атмосферата се съдържа главно под формата на въглероден диоксид (CO 2) и в малки количества под формата на метан (CH 4), въглероден оксид и други въглеводороди.

За атмосферните газове се използва понятието „живот на газа“. Това е времето, през което газът се обновява напълно, т.е. времето, през което в атмосферата навлиза същото количество газ, каквото съдържа. И така, за въглеродния диоксид това време е 3-5 години, за метана - 10-14 години. CO се окислява до CO 2 за няколко месеца.

В биосферата значението на въглерода е много голямо, тъй като той е част от всички живи организми. В живите същества въглеродът се съдържа в редуцирана форма, а извън биосферата - в окислена форма. Така се образува химически обмен на жизнения цикъл: CO 2 ↔ жива материя.

Източници на въглерод в атмосферата.

Източникът на първичен въглероден диоксид е изригването на което освобождава огромно количество газове в атмосферата. Част от този въглероден диоксид възниква по време на термичното разлагане на древни варовици в различни метаморфни зони.

Въглеродът също навлиза в атмосферата под формата на метан в резултат на анаеробно разлагане на органични остатъци. Метанът под въздействието на кислород бързо се окислява до въглероден диоксид. Основните доставчици на метан в атмосферата са тропическите гори и.

От своя страна атмосферният въглероден диоксид е източник на въглерод за други геосфери - биосферата и.

Миграция на CO 2 в биосферата.

Миграцията на CO 2 става по два начина:

При първия метод CO 2 се абсорбира от атмосферата по време на фотосинтезата и участва в образуването на органични вещества с последващо погребване под формата на минерали: торф, масло, нефтени шисти.

При втория метод въглеродът участва в създаването на карбонати в хидросферата. CO 2 се превръща в H 2 CO 3, HCO 3 -1, CO 3 -2. След това, с участието на калций (по-рядко магнезий и желязо), карбонатите се отлагат по биогенни и абиогенни пътища. Появяват се дебели слоеве от варовик и доломит. Според A.B. Ронов, съотношението на органичния въглерод (Corg) към карбонатния въглерод (Ccarb) в историята на биосферата е било 1:4.

Как протича геохимичният цикъл на въглерода в природата и как въглеродният диоксид се връща в атмосферата?

Атмосферата е газовата обвивка на Земята, естествен неизчерпаем

ресурс. Атмосферата има слоест строеж и включва тропосферата,

стратосфера, мезосфера, йоносфера (термосфера), екзосфера.

Тропосферата, в непосредствена близост до земната повърхност, е мястото, където по-голямата част от

газове, които съставляват 75% от масата на атмосферата. Височина на горната граница

е 8-10 км над полюсите и 16-18 км над екватора. Тук

настъпва интензивно вертикално смесване на въздуха и

хоризонтално, основното количество водна пара е концентрирано и

примеси, които допринасят за образуването на облаци.

Следващият слой е стратосферата. Характеризира се със слаб въздух

течения, малко облаци и постоянни температури.

На височина 9-10 км на полюсите и 17-18 км над екватора се намира

озонов щит (озонов слой), който се простира до надморска височина от 35 км.

Над стратосферата е мезосферата (от надморска височина от 55 до 80 km). Тя

характеризиращ се с понижаване на температурата

Мезосферата се трансформира в термосфера (йоносфера), която се характеризира с повишаване на температурата. В този слой се получава йонизация на газовете с образуването.

В екзосферата, която се простира до надморска височина от 1000-2000 км, водородът и хелият изтичат в открития космос.

Атмосферният въздух винаги съдържа вода (водна пара и капкова влага) в количество от 3-4%, както и различни атмосферни замърсители (серни оксиди, азот, метан, въглероден оксид, фреони, прах, сажди), които съставляват общия масата на атмосферата е незначителна част.

Атмосферният въздух е от голямо значение за живота на биосферата.

1. Кислородът във въздуха е необходим за дишането на аеробните организми.

2. Атмосферата играе климатологична роля. В него се образуват въздушни течения, смесват се големи маси въздух и отделяните от различни източници химически вещества на земната повърхност се преразпределят на значителни разстояния.

3. Атмосферата изпълнява защитна функция, като поглъща силното ултравиолетово лъчение на Слънцето от озоновите молекули в стратосферата, а също така предотвратява бомбардирането на земната повърхност от метеорити, които изгарят в горните слоеве.

4. Атмосферата играе важна роля в циркулацията на веществата в околната среда. Това се отнася преди всичко за кислород, въглерод, азот и сяра.

35 Газов състав на атмосферата

Съставът на газовете в атмосферата е доста постоянен (в % по обем): азот -78,084; кислород - 20.946; въглероден диоксид - 0,033; аргон - 0,93; други инертни и други газове (N20, NO2, CH4) - хилядни от процента.

Значението на отделните газове за биосферата

Кислород.Постоянността на съдържанието на кислород се дължи на протичащия в растенията процес на фотосинтеза, в резултат на който се образуват органични вещества и кислород. Кислородът участва в реакции на биологично окисление, които осигуряват

енергията на живите организми.

Азот.Той съставлява по-голямата част от атмосферата. Животът дължи много на азота, тъй като той се съдържа в аминокиселини, протеини и други органични молекули. В земната атмосфера наличието на свободен азот се дължи на жизнените процеси, в резултат на които той се е образувал от амоняка в първичната земна атмосфера.

Въглероден двуокис.Участва в процеса на фотосинтеза. Той се класифицира като така наречения „парников“ газ, който може да намали излъчването на топлина от земната повърхност в космоса. Увеличаване на концентрацията на въглероден диоксид поради изгаряне

гориво, работа на промишлени предприятия, транспорт, терм

електроцентрали и др. води до появата на “парников ефект”,

свързани с повишаване на температурата на ниските слоеве на атмосферата и глобалното затопляне. Участват във формирането на парниковия ефект

също водна пара, метан, азотни оксиди (N20, N02), някои други газове.

Въглероден диоксид (CO2).

Въглеродният диоксид е може би най-важният от всички парникови газове, изпускани в атмосферата от хората, първо защото предизвиква силен парников ефект и второ, защото голяма част от него се произвежда от хората.

Въглеродният диоксид е много „естествен“ компонент на атмосферата - толкова естествен, че едва наскоро започнахме да мислим за антропогенния въглероден диоксид като замърсител. Въглеродният диоксид може да бъде нещо добро. Ключовият въпрос обаче е в кой момент CO2 става твърде много? Или, с други думи, в какви количества започва да има вредно въздействие върху околната среда?

Това, което днес изглежда естествено от човешка гледна точка, може да се различава значително от това, което е било естествено за Земята по време на нейното еволюционно развитие. Историята на човечеството представлява само много тънък отрязък (не повече от няколко милиона години) от геоложки слой, датиращ от преди повече от 4,6 милиарда години.

Някои еколози се опасяват, че въглеродният диоксид ще доведе до катастрофални промени в климата, като тези, описани в книгата на Бил Маккибън „Краят на природата“.

Най-вероятно въглеродният диоксид доминира в ранната атмосфера на Земята. Днес съдържанието на CO2 в атмосферата е само около 0,03 процента, а най-песимистичните прогнози предвиждат нивото му да нарасне до 0,09 процента до 2100 г. Някои учени смятат, че преди около 4,5 милиарда години CO2 е съставлявал 80 процента от земната атмосфера, като първоначално бавно е спаднал до 30 до 20 процента през следващите 2,5 милиарда години. Свободният кислород е бил практически непознат в ранната атмосфера и е бил токсичен за анаеробните форми на живот, които са съществували по това време.

Човешкото съществуване, както знаем днес, в условията на излишък на въглероден диоксид в атмосферата беше просто невъзможно. За щастие на хората и животните, по-голямата част от CO2 е била отстранена от атмосферата късно в историята на Земята, когато морските обитатели, ранните форми на водорасли, са развили способността да фотосинтезират. По време на фотосинтезата растенията използват енергията от слънцето, за да превърнат въглеродния диоксид и водата в захар и кислород. В крайна сметка, водораслите и други по-напреднали форми на живот, които са еволюирали (планктон, растения и дървета), умират, отделяйки по-голямата част от въглерода в различни въглеродни минерали (нефтени шисти, въглища и нефт) в земната кора. Това, което остава в атмосферата, е кислородът, който дишаме сега.

Въглеродният диоксид навлиза в атмосферата от различни източници - повечето от които са естествени. Но количеството CO2 обикновено остава приблизително същото ниво, тъй като има механизми, които премахват въглеродния диоксид от атмосферата (Фигура 5 дава опростена диаграма на циркулацията на CO2 в атмосферата).

Един от основните естествени механизми на циркулация на CO2 е обменът на газове между атмосферата и повърхността на океаните. Този обмен е много фин, добре балансиран процес на обратна връзка. Количеството въглероден диоксид е наистина огромно. Учените измерват тези количества в гигатони (Ggt - милиарди метрични тонове) въглерод за удобство.

Въглеродният диоксид се разтваря лесно във вода (процесът, който произвежда газирана вода). Освен това се освобождава лесно от вода (виждаме това като шумене в газирана вода). Атмосферният въглероден диоксид непрекъснато се разтваря във вода на повърхността на океаните и се освобождава обратно в атмосферата. Това явление почти изцяло се обяснява с физични и химични процеси. Повърхността на световните океани освобождава 90 Ggt въглерод годишно и абсорбира 92 Ggt въглерод. Когато учените сравнят тези два процеса, се оказва, че повърхността на световните океани всъщност е поглътител на въглероден диоксид, тоест абсорбира повече CO2, отколкото освобождава обратно в атмосферата.

Големината на потоците въглероден диоксид в цикъла атмосфера/океан остава най-важният фактор, тъй като малки промени в съществуващия баланс могат да имат непредвидими последици за други природни процеси.

Биологичните процеси играят не по-малко важна роля в циркулацията на въглеродния диоксид в атмосферата. CO2 е необходим за фотосинтезата. Растенията „дишат“ въглероден диоксид, като абсорбират около 102 Ggt въглерод годишно. Но растенията, животните и другите организми също отделят CO2. Една от причините за образуването на въглероден диоксид се обяснява с метаболитния процес - дишането. Когато живите организми дишат, те изгарят кислорода, който вдишват. Хората и други сухоземни животни, например, вдишват кислород, за да поддържат живота си и издишват въглероден диоксид обратно в атмосферата като отпадъци. Според изчисленията всички живи организми на Земята годишно издишват около 50 Ggt въглерод.

Когато растенията и животните умират, съдържащите се в тях органични въглеродни съединения се включват в почвата или калта на влажните зони. Природата компостира тези продукти от изсъхнал живот като градинар, разграждайки ги на съставните им части чрез различни химични трансформации и работата на микроорганизми. Според изчисленията на учените по време на гниенето около 50 Ggt въглерод се освобождават обратно в атмосферата.

По този начин 102 Ggt въглерод, абсорбиран от атмосферата годишно, е почти сто процента балансиран от 102 Ggt въглерод, който навлиза в атмосферата годишно чрез дишането и гниенето на животни и растения. Необходимо е да сме напълно наясно с големината на въглеродните потоци в природата, тъй като незначителните отклонения в съществуващия баланс могат да имат далечни последици.

В сравнение с цикъла атмосфера-океан и биологичния цикъл, количеството въглероден диоксид, отделено в атмосферата в резултат на човешката дейност, изглежда на пръв поглед незначително. Когато хората изгарят въглища, нефт и природен газ, те освобождават приблизително 5,7 Ggt въглерод в атмосферата (според IPCC). Когато хората изсичат и изгарят гори, те добавят още 2 Gg тона. Моля, имайте предвид, че има различни оценки за количеството въглерод, изпуснат в атмосферата в резултат на обезлесяването.

Тези количества несъмнено играят роля, тъй като естествените въглеродни цикли (атмосфера/океан и биологичен цикъл) са били в добре регулирано равновесие от дълго време. Поне балансът е бил поддържан през периода от време, през който е станало раждането и развитието на човечеството. Изглежда, че човешките промишлени и селскостопански дейности значително са изкривили въглеродния баланс.

Различни научни изследвания показват увеличение на концентрациите на въглероден диоксид в атмосферата през последните няколко века. През това време световното население нараства експоненциално, парната машина започва да се използва в промишлеността, колите с двигатели с вътрешно горене се разпространяват по цялата планета, а мигрантските фермери изчистват огромни площи в Америка, Австралия и Азия от растителност.

През същото време концентрациите на въглероден диоксид в атмосферата се увеличиха от 280 части на милион (ppmv) от прединдустриалния период (1750 г.) до около 353 ppmv, увеличение от приблизително 25 процента. Това количество може да бъде достатъчно, за да предизвика значителни промени, ако климатът е наистина чувствителен към парникови газове до степента, която учените предполагат. Измерванията в обсерваторията Manua Loa в Хавай, далеч от източниците на промишлено замърсяване, показват стабилно нарастване на концентрациите на CO2 между 1958 и 1990 г. (Фигура 6). През последните две години обаче няма увеличение на концентрациите на въглероден диоксид.

Тясната връзка между концентрациите на въглероден диоксид и очакваните глобални средни температури е поразителна (Фигура 7)! Все още обаче остава загадка дали тази връзка се дължи на случайност. Лесно е да се изкушите да отдадете температурните колебания на колебанията в концентрациите на CO2. Но връзката може да бъде и обърната - промяна в температурата може да причини промяна в концентрациите на въглероден диоксид.