Глобальный круговорот углерода и климат (стр. 10 из 11)
Возможностям подобной формы захоронения углерода посвящена недавно появившаяся в журнале Science статья Йоханнеса Лемана (Johannes Lehmann) с Факультета зернового хозяйства и земледелия Корнельского университета (Итака, США). Схема предлагаемой технологии показана на рис. 3.
Рис.3. Схема обычного круговорота углерода в природной экосистеме (слева) и включающая переработку растительных остатков в ходе пиролиза (справа)
В ходе обычного круговорота веществ в природных экосистемах углерод CO2 связывается в процессе фотосинтеза, после чего примерно половина его расходуется на дыхание самих растений, а половина в виде органического вещества растительных остатков попадает на поверхность почвы, где разлагается грибами и бактериями до простых компонентов. Весь CO2, выделившийся при дыхании как растений, так и редуцентов, возвращается в атмосферу. Можно, конечно, растительные остатки собрать и пустить на переработку, получив из него «биотопливо». Это, в общем, неплохо, так как экономится ископаемое топливо, но по отношению к углероду, находящемуся в атмосфере в виде СО2, данная технология нейтральна: при сжигании биотоплива весь CO2, когда-то связанный в ходе фотосинтеза, снова возвращается в атмосферу.
Гораздо лучше, по мнению автора статьи, технология превращения растительных остатков в древесный уголь (что также показано на схеме), особенно если газы, выделяющиеся в процессе пиролиза, уловлены и использованы как биотопливо [35]. Образовавшийся древесный уголь вносится в почву, например, в смеси с навозом или минеральными удобрениями.
На основе проведенных расчетов Леман полагает, что технология связывания атмосферного углерода в древесном угле может быть широко использована в трех случаях. Во-первых, это пиролиз остатков деревьев при промышленной заготовке леса. Во-вторых, пиролиз быстро растущей растительности на заброшенных сельскохозяйственных угодьях. В-третьих, пиролиз остатков сельскохозяйственных культур.
Во всех случаях подразумевается, что древесный уголь вносится в почву, а не сжигается. Очевидно, что стратегия связывания углерода в древесном угле оправдана только там, где есть в большом количестве запасы дешевой биомассы.Внедрение данного метода в практику определяется тем, насколько выгоднее будет сохранять древесный уголь в почве по сравнению с его сжиганием.
Выводы по IVглаве
С начала 1990-х годов решение проблемы снижения выбросов парниковых газов стало одной из приоритетных задач мирового сообщества. Первым практическим шагом к ее решению считается Киотский протокол, подписанный в декабре 1997 года. Его целью является сокращение развитыми странами к 2008-2012 годам суммарных выбросов в атмосферу углекислого газа на 5,2% по сравнению с выбросами 1990 года.
Киотский протокол - первое совместное усилие государств Земли по регулированию климата. Обязывающий характер Протокола заставляет со всей серьезностью отнестись к развитию альтернативных источников энергии, таких, как солнечная, термоядерная и прочие ее виды. Киотский протокол обязывает переходить на энергосберегающие технологии и требует от развитых стран передачи этих технологий развивающимся странам.
Понижение концентрации диоксида углерода в атмосфере является актуальной задачей. Поэтому возникает необходимость разработки теоретических подходов и экологических программ, обеспечивающих снижение выбросов парниковых газов в атмосферу, которые включают традиционные, нетрадиционные и альтернативные направления.
Конечно, не менее важно применение принципиально новых подходов к уменьшению концентрации углекислого газа в атмосфере. Например, идея консервации вырабатываемых парниковых газов в подземных хранилищах. Суть которой состоит в том, что по мере исчерпания запасов минерального сырья мы сможем эффективно использовать подземное пространство для решения экологических задач. Или, чтобы уменьшить количество углекислого газа в атмосфере, ученые предлагают растительные остатки, образующиеся как отходы лесной промышленности и сельского хозяйства, не сжигать, а превращать в древесный уголь, который затем можно вносить в почву.
Заключение
В процессе выполнения данной работы мы проработали 35 научных источников.
Мы определили, что биогеохимическая машина Земли представлена циклами элементов, связанных между собой. Это углерод, кислород, азот, кальций, магний, фосфор, сера, кремний, железо. И главенствующим является цикл органического углерода. В истории Земли основным источником СО2 является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. В ходе жизнедеятельности организмов (в процессе дыхания) и при вулканических извержениях углерод возвращается в атмосферу и гидросферу. Определенное количество его отлагается в литосфере и педосфере и расходуется на углекислотное выветривание алюмосиликатов и образование различных углеродистых соединений. Извлеченный из атмосферы углерод, и захороненный даже в виде карбонатов, не говоря уже о захороненной органике, извлекается из нее все же не навсегда. По прошествии некоторого, часто очень значительного времени (до сотен миллионов лет и более), он возвращается обратно в атмосферу и участвует в дальнейшем круговороте.
Нами рассмотрены биогеохимические круговороты углерода, которые протекают в пространстве и времени.
По длительности (периодичности) и пространственному развитию можно выделить относительно короткие (часы – тысячи лет) биогеохимические круговороты (малый и ландшафтный биогеохимические циклы углерода) и биогеохимический цикл, соизмеримый с геологической историей (большой биогеохимический цикл углерода).
Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера. Основное связующее звено в круговороте этого элемента - атмосфера, поскольку углерод в ней содержится в наиболее подвижной форме - в виде оксида углерода (IV).
Мы определили, что в атмосфере в настоящее время содержится около 7,5х102 Гт углерода. Но небольшим содержание СО2 в атмосфере было далеко не всегда – так в архее (около 3,5 млрд. лет назад) атмосфера состояла почти на 85-90% из углекислого газа.
В работе описаны содержащиеся в атмосфере газы (водяные пары, углекислый газ, метан и некоторые другие), которые поглощают инфракрасное тепловое излучение с поверхности Земли, нагреваемой солнечным светом. В результате происходит разогрев атмосферы, который называют «парниковым эффектом». Дополнительное поступление парниковых газов (особенно СО2) от антропогенных источников нарушает природный углеродный баланс в атмосфере и катализирует парниковый эффект.
Но существует мнение, что насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, всегда приводит не к повышению, как это принято думать, а только к понижению и парникового эффекта. Однако удвоение его концентрации должно вызвать существенные изменения в биосфере.
Также прослежена эволюция содержания углекислого газа в геологические эпохи: накопление СО2 в межледниковые периоды, интенсивное извлечение из атмосферы, минимальное содержание и наступление оледенений, замедление захоронения СО 2 и снова накопление. Интересно, что по данным ледниковых кернов, при переходе от ледниковой эпохи к межледниковью содержание СО2 и температура меняются синхронно, то при обратном переходе концентрация углекислого газа уменьшается позднее, чем снижается температура. Эта альтернативная точка зрения может стать научной базой для решения данной проблемы.
Возможно, на данном этапе происходит тепловое загрязнение. То есть выделение большого количества тепла человеком повышает глобальную температуру атмосферы, тем самым, увеличивая концентрацию свободного углерода за счет выделения его из океана.
Нами выявлено, что количество парниковых газов в воздухе стало заметно расти после начала промышленной революции в Европе, около 1750 года. С начала 1990-х годов решение проблемы снижения выбросов парниковых газов стало одной из приоритетных задач мирового сообщества. Первым практическим шагом к ее решению считается Киотский протокол, подписанный в декабре 1997 года.
Проанализировав аспекты Киотского протокола, мы пришли к выводу, что он необходим, как первое совместное усилие государств Земли по регулированию климата. Обязывающий характер Протокола заставляет со всей серьезностью отнестись к развитию альтернативных источников энергии, таких, как солнечная, термоядерная и прочие ее виды.
Мы считаем, что понижение концентрации диоксида углерода в атмосфере является актуальной задачей, решение которой необходимо для устойчивого развития человеческой цивилизации. Нами рассмотрены возможные пути решения этой проблемы (традиционные, нетрадиционные и альтернативные направления и принципиально новые подходы), наработанные мировой практикой.
Литература
1. Антонов Б.И., Пронин И.С., Пронин С.И. О Киотском протоколе и не только о нем Приложение к журн. "Безопасность жизнедеятельности". - 2005. - N 2. - С.12-24.
2. Арефьев В.Н., Каменоградский Н.Е., Кашин Ф.В. Углекислый газ в континентальной атмосфере // Метеорол. и гидрол. - 1995. - N 4. - С.87-96.
3. Богданкевич О.В. Лекции по экологии. – М.2002.