В резултат на това в атмосферата се отделя въглероден диоксид. Ролята и значението на основните газове на атмосферния въздух. Източници на изпускане в атмосферата

Химичен състав

Атмосферата на Земята е възникнала в резултат на отделянето на газове по време на вулканични изригвания. С появата на океаните и биосферата се формира и поради обмен на газ с вода, растения, животни и техните продукти на разлагане в почви и блата.

В момента атмосферата на Земята се състои предимно от газове и различни примеси (прах, водни капки, ледени кристали, морски соли, продукти от горенето).

Концентрацията на газовете, които изграждат атмосферата, е почти постоянна, с изключение на водата (H 2 O) и въглеродния диоксид (CO 2).

В допълнение към газовете, посочени в таблицата, атмосферата съдържа SO 2, NH 3, CO, озон, въглеводороди, HCl, HF, Hg пари, I 2, както и NO и много други газове в малки количества. В тропосферата постоянно има голямо количество суспендирани твърди и течни частици (аерозоли).

Въглероден диоксид в земната атмосфера, към 2011 г., се представя в размер на 392 ppm или 0,0392%. Ролята на въглеродния диоксид ( CO 2, диоксидили въглероден двуокис) в живота на биосферата се състои преди всичко в поддържането на процеса на фотосинтеза, който се извършва от растенията. Като парников газ, въглеродният диоксид във въздуха влияе върху топлообмена на планетата с околното пространство, като ефективно блокира преизлъчената топлина на редица честоти и по този начин участва във формирането на климата на планетата.

Във връзка с активното използване от човечеството на изкопаеми енергийни носители като гориво, се наблюдава бързо увеличаване на концентрацията на този газ в атмосферата. За първи път антропогенното влияние върху концентрацията на въглероден диоксид е отбелязано от средата на 19 век. Оттогава неговият темп на растеж се увеличава и в края на 2000-те се наблюдава със скорост от 2,20 ± 0,01 ppm/година, или 1,7% на година. Според отделни проучвания сегашното ниво на CO 2 в атмосферата е най-високото през последните 800 хиляди години и, вероятно, през последните 20 милиона години.

Роля в парниковия ефект

Въпреки относително ниската си концентрация във въздуха, CO 2 е важен компонент на земната атмосфера, тъй като абсорбира и преизлъчва инфрачервено лъчение при различни дължини на вълната, включително 4,26 µm (вибрационен режим - асиметрично разтягане на молекулата) и 14,99 µm (флуктуации при огъване ). Този процес изключва или намалява излъчването на Земята в космоса при тези дължини на вълните, което води до парников ефект. Текущата промяна в концентрацията на CO 2 в атмосферата засяга лентите на поглъщане, където текущото му влияние върху спектъра на повторното излъчване на Земята води само до частично поглъщане.

В допълнение към парниковите свойства на въглеродния диоксид, фактът, че той е по-тежък газ от въздуха, също е важен. Тъй като средната относителна моларна маса на въздуха е 28,98 g / mol, а моларната маса на CO 2 е 44,01 g / mol, увеличаването на дела на въглеродния диоксид води до увеличаване на плътността на въздуха и съответно до промяна в неговият профил на налягане в зависимост от височината. Посредством физическа природапарников ефект, такава промяна в свойствата на атмосферата води до повишаване на средната повърхностна температура.

Като цяло повишаването на концентрацията от прединдустриалното ниво от 280 ppm до съвременното ниво от 392 ppm е еквивалентно на допълнително освобождаване от 1,8 вата на квадратен метър от повърхността на планетата. Този газ също има уникалното свойство да има дългосрочно въздействие върху климата, което след емисиите, които са го причинили, остава до голяма степен постоянен до хиляда години. Други парникови газове, като метан и азотен оксид, съществуват свободни в атмосферата за по-кратко време.

Източници на въглероден диоксид

Естествените източници на въглероден диоксид в атмосферата включват вулканични изригвания, изгаряне на органични вещества във въздуха и дишане на представители на животинския свят (аеробни организми). Също така въглеродният диоксид се произвежда от някои микроорганизми в резултат на процеса на ферментация, клетъчното дишане и в процеса на гниене на органични остатъци във въздуха. Антропогенните източници на емисии на CO 2 в атмосферата включват: изгаряне на изкопаеми горива за генериране на топлина, производство на електричество и транспортиране на хора и стоки. Някои промишлени дейности, като производството на цимент и оползотворяването на газове чрез изгаряне, водят до значителни емисии на CO 2 .

Растенията превръщат въглеродния диоксид, който получават, във въглехидрати по време на фотосинтезата, която се осъществява чрез пигмента хлорофил, който използва енергията на слънчевата радиация. Полученият газ, кислород, се отделя в земната атмосфера и се използва за дишане от хетеротрофни организми и други растения, като по този начин се образува въглеродният цикъл.

Антропогенни емисии

Емисии на въглерод в атмосферата в резултат на пром. дейност през 1800 - 2004г

С настъпването на индустриалната революция в средата на 19-ти век има прогресивно увеличаване на антропогенните емисии на въглероден диоксид в атмосферата, което води до дисбаланс във въглеродния цикъл и увеличаване на концентрацията на CO 2 . В момента около 57% от въглеродния диоксид, произведен от човечеството, се отстранява от атмосферата от растенията и океаните. Съотношението на увеличението на количеството CO 2 в атмосферата към общия емитиран CO 2 е постоянна стойност от около 45% и претърпява краткотрайни колебания и колебания с период от пет години.

Изгарянето на изкопаеми горива като въглища, нефт и природен газ е основната причина за антропогенните емисии на CO 2 , като обезлесяването е втората водеща причина. През 2008 г. изгарянето на изкопаеми горива е освободило 8,67 милиарда тона въглерод (31,8 милиарда тона CO 2 ) в атмосферата, докато през 1990 г. годишните въглеродни емисии са били 6,14 милиарда тона. Инвентаризацията на горите за земеползване доведе до увеличаване на атмосферния въглероден диоксид, еквивалентно на изгарянето на 1,2 милиарда тона въглища през 2008 г. (1,64 милиарда тона през 1990 г.). Кумулативното увеличение за 18 години е 3% от годишния естествен цикъл на CO 2 , което е достатъчно, за да изведе системата от равновесие и да ускорен растеж CO 2 ниво. В резултат на това въглеродният диоксид постепенно се натрупва в атмосферата и през 2009 г. концентрацията му е с 39% по-висока от прединдустриалната стойност.

По този начин, въпреки факта, че (към 2011 г.) общата антропогенна емисия на CO 2 не надвишава 8% от естествения му годишен цикъл, има увеличение на концентрацията, дължащо се не само на нивото на антропогенните емисии, но и на постоянната увеличаване на нивото на емисиите с течение на времето.

Предизвика ожесточен дебат в коментарите дали човешката цивилизация е основният източник на парникови газове на планетата. скъпа dims12 даде интересна връзка, която казва, че вулканите отделят 100-500 пъти по-малко въглероден диоксид от съвременната цивилизация:

В отговор на това, скъпа vladimir000 донесе неговия. В резултат на това той получи тези емисии CO2много по-малко от човешката цивилизация: около 600 милиона тона:

Нещо имаш странен ред на числата. Търсенето дава общата мощност на всички електроцентрали на Земята 2 * 10^12 вата, т.е. ако приемем, че всички работят с изкопаеми горива през цялата година, получаваме приблизително 2 * 10^16 вата-часа годишна консумация, т.е. е 6 * 10^15 KJoules.

Отново търсенето дава специфична калорична стойност на първите десетки хиляди KJ на килограм изкопаемо гориво. Нека вземем 10 000 за простота и приемем, че цялото преработено гориво лети в тръбата без остатък.

Тогава, за да се покрият напълно нуждите на човечеството от енергия, се оказва, че е достатъчно да се изгарят 6 * 10^15 / 10^4 килограма въглерод годишно, тоест 6 * 10^8 тона. 600 мегатона годишно. При положение, че все още има ядрени, водни и други възобновяеми централи, не виждам как, крайното потребление ще се увеличи 500 пъти.

Разликата се оказа огромна - 500 пъти. Но в същото време не разбрах съвсем откъде идва тази 500-кратна разлика. Ако разделите 29 милиарда тона на 600 милиона тона, ще има разлика от 50 пъти. От друга страна, тази разлика вероятно се дължи на не 100% ефективностелектроцентрала, както и факта, че изкопаемите горива се консумират не само от електроцентралите, но и за транспорт, отопление на дома или производство на цимент.

Следователно е възможно това изчисление да се направи по-точно. За да направите това, просто използвайте следния цитат: " при изгаряне на въглища в количество от един тон стандартно гориво се изразходват 2,3 тона кислород и се отделят 2,76 тона въглероден диоксид, а при изгаряне на природен газ се отделят 1,62 тона въглероден диоксид и същите 2,35 тона кислород консумирани ".

Колко гориво консумира човечеството годишно сега? Такава статистика е дадена в отчетите на компанията. BP. Около 13 милиарда тона еталонно гориво. По този начин човечеството отделя около 26 милиарда тона въглероден диоксид в атмосферата. Освен това същите данни предоставят подробна статистика за емисиите CO2за всяка година. От това следва, че тези емисии непрекъснато нарастват:

В същото време само половината от тези емисии влизат в атмосферата. Другата половина

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 преди всичко в поддържането 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 преизлъчената 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 намира главно под формата на въглероден диоксид (CO 2) и в малко количество 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, необходимо на толкова газ, колкото се съдържа в атмосферата. И така, за въглеродния диоксид това време е 3-5 години, за метана - 10-14 години. CO се окислява до CO 2 в рамките на 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 химичен обмен кръговат на живота: CO 2 ↔ жива материя.

Източници на въглерод в атмосферата.

Източникът на първичен въглероден диоксид е, по време на изригването на който той се освобождава в атмосферата голяма сумагазове. Част от този въглероден диоксид възниква от 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 протича 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 преминава в H 2 CO 3, HCO 3 -1, CO 3 -2. След това, с участието на калций (по-рядко магнезий и желязо), утаяването на карбонатите става по биогенен и абиогенен начин. Появяват се дебели слоеве от варовици и доломити. Според A.B. Ронов, съотношението на органичния въглерод (Corg) към карбонатния въглерод (Ccarb) в историята на биосферата е било 1:4.

Как се извършва геохимичният цикъл на въглерода в природата и как въглеродният диоксид се връща обратно в атмосферата

Съставът и структурата на атмосферата.

Атмосферата е газовата обвивка на Земята. Вертикалният обхват на атмосферата е повече от три земни радиуса (средният радиус е 6371 km), а масата е 5,157 x 10 15 тона, което е приблизително една милионна от масата на Земята.

Разделянето на атмосферата на слоеве във вертикална посока се основава на следното:

състав на атмосферния въздух,

Физични и химични процеси;

Височинно разпределение на температурата;

Взаимодействие на атмосферата с подстилащата повърхност.

Атмосферата на нашата планета е механична смес от различни газове, включително водна пара, както и определено количество аерозоли. Съставът на сухия въздух в долните 100 km остава почти постоянен. Чистият и сух въздух, в който няма водна пара, прах и други примеси, е смес от газове, главно азот (78% от обема на въздуха) и кислород (21%). Малко по-малко от един процент е аргонът, а в много малки количества има много други газове - ксенон, криптон, въглероден диоксид, водород, хелий и др. (Таблица 1.1).

Азотът, кислородът и други компоненти на атмосферния въздух винаги са в атмосферата в газообразно състояние, тъй като критичните температури, тоест температурите, при които те могат да бъдат в течно състояние, са много по-ниски от температурите, наблюдавани на повърхността на Земята . Изключение прави въглеродният диоксид. За преминаването в течно състояние обаче освен температура е необходимо да се постигне и състояние на насищане. В атмосферата има малко въглероден диоксид (0,03%) и той е под формата на отделни молекули, равномерно разпределени между молекулите на другите. атмосферни газове. През последните 60-70 години съдържанието му се е увеличило с 10-12%, под влияние на човешката дейност.

Повече от други, съдържанието на водна пара е обект на промяна, концентрацията на която на повърхността на Земята при високи температури може да достигне 4%. С увеличаване на надморската височина и намаляване на температурата съдържанието на водна пара рязко намалява (на височина 1,5-2,0 km - наполовина и 10-15 пъти от екватора до полюса).

Масата на твърдите примеси през последните 70 години в атмосферата на северното полукълбо се е увеличила с около 1,5 пъти.

Постоянството на газовия състав на въздуха се осигурява чрез интензивно смесване на долния слой въздух.

Газов състав на долните слоеве сух въздух (без водна пара)

Ролята и значението на основните газове на атмосферния въздух

КИСЛОРОД (О)жизненоважни за почти всички жители на планетата. Това е активен газ. Той участва в химична реакцияс други атмосферни газове. Кислородът активно абсорбира лъчиста енергия, особено много къси дължини на вълните под 2,4 μm. Под влияние на слънчевата ултравиолетова радиация (Х< 03 µm), молекулата на кислорода се разпада на атоми. Атомарният кислород, комбинирайки се с кислородна молекула, образува ново вещество - триатомен кислород или озон(Оз). Озонът се намира предимно на голяма надморска височина. Там неговиятроля за планетата е изключително полезна. На повърхността на Земята озонът се образува по време на мълния.

За разлика от всички други газове в атмосферата, които нямат нито вкус, нито мирис, озонът има характерна миризма. В превод от гръцки думата "озон" означава "остър мирис". След гръмотевична буря тази миризма е приятна, възприема се като миризма на свежест. В големи количества озонът е отровно вещество. В градове с голям брой автомобили, а оттам и големи емисии на автомобилни газове, при безоблачно или полуоблачно време под влияние на слънчеви лъчисе образува озон. Градът е обвит в жълто-син облак, видимостта се влошава. Това е фотохимичен смог.

АЗОТЪТ (N2) е неутрален газ, не реагира с други газове на атмосферата, не участва в поглъщането на лъчиста енергия.

До надморска височина от 500 км атмосферата се състои основно от кислород и азот. В същото време, ако азотът преобладава в долния слой на атмосферата, тогава на голяма надморска височина има повече кислород, отколкото азот.

АРГОН (Ag) - неутрален газ, не влиза в реакция, не участва в абсорбцията и излъчването на лъчиста енергия. По същия начин - ксенон, криптон и много други газове. Аргонът е тежко вещество, той е много оскъден във високите слоеве на атмосферата.

ВЪГЛЕРОДНИЯТ ДИОКСИД (CO2) в атмосферата е средно 0,03%. Този газ е много необходим за растенията и се абсорбира активно от тях. Действителното количество във въздуха може да варира донякъде. В индустриалните зони количеството му може да се увеличи до 0,05%. AT провинция, над горите, нивите му са по-малки. Над Антарктика приблизително 0,02% въглероден диоксид, т.е. почти Узпо-малко от средното количество в атмосферата. Същото количество и дори по-малко над морето - 0,01 - 0,02%, тъй като въглеродният диоксид се абсорбира интензивно от водата.

В слоя въздух, който е в непосредствена близост до земната повърхност, количеството въглероден диоксид също претърпява ежедневни колебания.

Повече през нощта, по-малко през деня. Това се обяснява с факта, че през деня въглеродният диоксид се абсорбира от растенията, но не и през нощта. Растенията на планетата отнемат около 550 милиарда тона кислород от атмосферата през годината и връщат около 400 милиарда тона кислород в нея.

Въглеродният диоксид е напълно прозрачен за късовълновите слънчеви лъчи, но интензивно абсорбира топлинното инфрачервено лъчение на Земята. С това е свързан и проблемът с парниковия ефект, за който периодично се разгарят дискусии на страниците на научната преса и най-вече в средствата за масова информация.

ХЕЛИЙ (He) е много лек газ. Навлиза в атмосферата от земната кораот радиоактивното разпадане на торий и уран. Хелият излиза в открития космос. Скоростта на намаляване на хелия съответства на скоростта на навлизането му от недрата на Земята. От надморска височина от 600 км до 16 000 км нашата атмосфера се състои главно от хелий. Това е "хелиевата корона на Земята" по думите на Вернадски. Хелият не реагира с други атмосферни газове и не участва в лъчистия топлообмен.

ВОДОРОДЪТ (Hg) е още по-лек газ. Има много малко от него близо до земната повърхност. Издига се до горните слоеве на атмосферата. В термосферата и екзосферата атомният водород става доминиращ компонент. Водородът е най-горната, най-отдалечената обвивка на нашата планета. Над 16 000 км до горната граница на атмосферата, тоест до височини 30-40 хил. км, преобладава водородът. Така химичният състав на нашата атмосфера с височина се доближава до химичния състав на Вселената, в която водородът и хелият са най-разпространените елементи. В най-външната, изключително разредена част на горната атмосфера водородът и хелият излизат от атмосферата. Техните отделни атоми имат достатъчно високи скорости за това.

Човешката дейност вече е достигнала такъв мащаб, че общото съдържание на въглероден диоксид в земната атмосфера е достигнало максимално допустимите стойности. Природните системи – земя, атмосфера, океан – са под разрушително влияние.

Важни факти

Например, те включват флуорохлоровъглеводороди. Тези газови примеси излъчват и абсорбират слънчева радиация, която влияе върху климата на планетата. Заедно CO 2 , други газообразни съединения, които попадат в атмосферата, се наричат ​​парникови газове.

История справка

Той предупреди, че увеличаването на обема на изгореното гориво може да доведе до нарушаване на радиационния баланс на Земята.

Съвременните реалности

Днес повече въглероден диоксид навлиза в атмосферата при изгаряне на гориво, а също и поради промените, които настъпват в природата поради обезлесяването и увеличаването на земеделската земя.

Механизъм на въздействието на въглеродния диоксид върху дивата природа

Увеличаването на въглеродния диоксид в атмосферата предизвиква парников ефект. Ако въглеродният окис (IV) е прозрачен по време на късовълнова слънчева радиация, тогава той абсорбира дълговълнова радиация, излъчвайки енергия във всички посоки. В резултат на това съдържанието на въглероден диоксид в атмосферата се увеличава значително, повърхността на Земята се нагрява и долните слоеве на атмосферата стават горещи. С последващо увеличаване на количеството въглероден диоксид е възможно глобално изменение на климата.

Ето защо е важно да се предвиди общото количество въглероден диоксид в земната атмосфера.

Източници на изпускане в атмосферата

Сред тях са промишлените емисии. Съдържанието на въглероден диоксид в атмосферата се увеличава поради антропогенни емисии. Икономическият растеж зависи пряко от количеството изгорени природни ресурси, тъй като много индустрии са енергоемки предприятия.

Резултатите от статистическите изследвания показват, че от края на миналия век в много страни се наблюдава намаляване на специфичните разходи за енергия със значително увеличение на цените на електроенергията.

Ефективното му използване се постига благодарение на модернизацията на технологичния процес, Превозно средство, използването на нови технологии при изграждането на производствени цехове. Някои развити индустриални страни преминаха от развитието на преработвателната промишленост и производството на суровини към развитието на онези области, които се занимават с производството на крайния продукт.

В големите градски райони със сериозна промишлена база емисиите на въглероден диоксид в атмосферата са значително по-високи, тъй като CO 2 често е страничен продуктотрасли, чиято дейност отговаря на нуждите на образованието, медицината.

В развиващите се страни значителното увеличение на използването на висококачествено гориво на 1 жител се счита за сериозен фактор за прехода към по-висок стандарт на живот. Изложената идея е, че продължаващият икономически растеж и подобряването на жизнения стандарт са възможни без увеличаване на количеството изгорено гориво.

В зависимост от региона съдържанието на въглероден диоксид в атмосферата варира от 10 до 35%.

Връзка между потреблението на енергия и емисиите на CO2

Да започнем с факта, че енергията не се произвежда само за да бъде получена. В развитите индустриални страни по-голямата част от него се използва в промишлеността, за отопление и охлаждане на сгради, за транспорт. Изследване, извършено от майор научни центрове, показа, че при използване на енергоспестяващи технологии е възможно да се постигне значително намаляване на емисиите на въглероден диоксид в земната атмосфера.

Например учените успяха да изчислят, че ако Съединените щати преминат към по-малко енергоемки технологии в производството на потребителски стоки, това ще намали количеството въглероден диоксид, навлизащ в атмосферата с 25%. В световен мащаб това би намалило проблема с парниковия ефект със 7%.

въглерод в природата

Анализирайки проблема с емисиите на въглероден диоксид в атмосферата на Земята, отбелязваме, че въглеродът, който е част от нейния състав, е жизненоважен за съществуването на биологични организми. Способността му да образува сложни въглеродни вериги (ковалентни връзки) води до появата на протеинови молекули, необходими за живота. Биогенният въглероден цикъл е сложен процес, тъй като включва не само функционирането на живите същества, но и преноса на неорганични съединения между различни въглеродни резервоари, както и вътре в тях.

Те включват атмосферата, континенталната маса, включително почвите, както и хидросферата, литосферата. През последните два века в системата биосфера-атмосфера-хидросфера се наблюдават промени в въглеродните потоци, които по своята интензивност значително надвишават скоростта на геоложките процеси на пренос на този елемент. Ето защо е необходимо да се ограничим до разглеждане на взаимоотношенията в системата, включително почвата.

От средата на миналия век започнаха да се провеждат сериозни изследвания за определяне на количественото съдържание на въглероден диоксид в земната атмосфера. Пионер в подобни изчисления беше Килинг, който работи в известната обсерватория Мауна Лоа.

Анализът на наблюденията показа, че промените в концентрацията на въглероден диоксид в атмосферата се влияят от цикъла на фотосинтезата, унищожаването на растенията на сушата, както и годишната промяна на температурата в океаните. По време на експериментите беше възможно да се установи, че количественото съдържание на въглероден диоксид в северното полукълбо е значително по-високо. Учените предполагат, че това се дължи на факта, че повечето отантропогенният принос пада върху това полукълбо.

За анализ те бяха взети без специални методи, освен това не бяха взети предвид относителните и абсолютните грешки при изчислението. Благодарение на анализа на въздушните мехурчета, които се съдържат в ледникови ядра, изследователите успяха да установят данни за съдържанието на въглероден диоксид в земната атмосфера в диапазона 1750-1960 г.

Заключение

През последните векове са настъпили значителни промени в континенталните екосистеми, причината за това е увеличаването на антропогенното въздействие. С увеличаването на количественото съдържание на въглероден диоксид в атмосферата на нашата планета парниковият ефект се увеличава, което се отразява негативно на съществуването на живите организми. Ето защо е важно да се премине към енергоспестяващи технологии, които позволяват намаляване на емисиите на CO2 в атмосферата.