СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава I. Источники углерода на Земле
1.1 Источники и резервы углерода на Земле
1.2 Углерод в биосфере и почве
Выводы по I главе
Глава II. Глобальный круговорот углерода
2.1 Круговороты химических элементов в биосфере
2.2 Биогеохимические круговороты углерода: ландшафтный, малый и биосферный
Выводы по II главе
Глава III. Влияние круговорота углерода на глобальный климат
3.1 Концентрация углерода в системе литосфера - гидросфера - атмосфера
3.2 Изменение содержания углерода в атмосфере в разные геологические периоды
3.3 Парниковые газы и атмосферные аэрозоли и климат
3.4 Парниковый эффект и климат
Выводы по III главе
Глава IV. Способы понижения концентрации углекислого газа в атмосфере
4.1 Глобальное потепление климата и протокол Киото
4.2 Способы сокращения парниковых газов в атмосфере
Выводы по IV главе
Заключение
Литература
Введение
Тема данной выпускной квалификационной работы: «Глобальный круговорот углерода и климат».
Актуальность. Человеческая деятельность привела к разомкнутости биогеохимического круговорота диоксида углерода (СО2) в наземных экосистемах. Особое место в современных биогеохимических циклах углерода занимают сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа и др.), обжиг извести, лесные пожары, вырубка лесов, распашка земель. Следствием чего явился прогрессирующий рост его содержания в атмосфере, что катализирует парниковый эффект и может привести к непредсказуемым последствиям – это в первую очередь необратимые глобальные изменения климата в сторону потепления, в результате которых произойдет таяние ледниковых покровов, многолетней мерзлоты и, как следствие, повышение уровня Мирового океана. Будет нарушена экологическая стабильность планеты.Снижение выбросов парниковых газов возможно путем использования альтернативной энергетики, снижения энергоемкости и общей мощности хозяйственной деятельности человека, а также восстановления естественных лесов.
Цель работы: выявить значение круговорота углерода в глобальном изменении климата и определить пути решения связанных с этим экологических проблем.
Объект исследования: глобальный круговорот углерода.
Предмет исследования: влияние концентрации углерода в атмосфере на изменение климата.
Задачи исследования:
1. Изучить, проанализировать литературу по данной теме;
2. Определить источники углерода на Земле;
3. Рассмотреть его биогеохимические круговороты;
4. Описать влияние концентрации углекислого газа на парниковый эффект;
5. Определить механизм перераспределения углерода между сферами географической оболочки в разные геологические эпохи;
6. Выявить основные неопределенности влияния антропогенного углерода на климат;
7. Выявить способы понижения концентрации углекислого газа в атмосфере.
Глава I. Источники углерода на Земле
1.1 Источники и резервы углерода на Земле
Как показывают новейшие исследования возникновение Земли как планеты связано с существованием в прошлом двойной звезды Юпитер-Солнце. Она образовалась из 6-й сброшенной Юпитером оболочки в процессе его звездной эволюции, которая закончилась 3.3 млрд. л.н.
Этим обусловлен первоначальный состав вещества Земли, включающий все элементы шести периодов таблицы Менделеева, синтезированные Юпитером, в том числе такие важные для существования жизни, как углерод - основа биогеохимии.
Основной источник углерода для живых организмов — это атмосфера Земли, где данный элемент присутствует в виде диоксида углерода (углекислого газа, СО2). Масса этого вещества в атмосфере оценивается астрономической цифрой 4 · 1011 тонн! В процессе выветривания и фотосинтеза ежегодно из атмосферы поглощается более 8 · 108 тонн СО2. Если бы не было механизма кругооборота, то за несколько тысяч лет углерод полностью исчез бы из атмосферы, оказался “захороненным” в горных породах. По современным оценкам, масса диоксида углерода, “спрятанного” в горных породах, примерно в 500 раз превышает его запасы в атмосфере. В атмосфере СО2 переносится ветрами как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.
Диоксид углерода присутствует в воде, где он легко растворяется, образуя слабую угольную кислоту Н2СО3. Эта кислота вступает в реакции с кальцием и другими элементами, образуя минералы, называемые карбонатами. Карбонатные породы, например известняк, находятся в равновесии с диоксидом углерода, который содержится в контактирующей с ними воде. Аналогичным образом количество СО2, растворенного в океанах и пресных водах, определяется его концентрацией в атмосфере. Общее количество растворенных и осадочных углеродсодержащих веществ оценивается примерно в 1,8 трлн. т.
Еще одним переносчиком углерода является метан. Его в атмосфере тоже немало—около 5 · 109 тонн. Однако из атмосферы происходит утечка метана в стратосферу и далее в космическое пространство. Кроме того, метан расходуется и в результате фотохимических реакций. Продолжительность существования молекулы метана в атмосфере в среднем составляет 5 лет.
Углерод в соединении с водородом и другими элементами является одним из основных компонентов клеток растений и животных. Например, в организме человека он составляет около 18% массы тела. Многочисленность и очень широкое распространение живых организмов не позволяют удовлетворительно оценить общее содержание в них углерода. Можно, однако, приблизительно оценить суммарное количество углерода, связываемого растениями, а также выделяемого в процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов. Установлено, что зеленые растения поглощают в год около 220 млрд. т CO2. Почти такое же количество этого вещества выделяется в неорганическую среду в процессе дыхания всех живых организмов, а также в результате разложения и сгорания органических веществ.
При определенных условиях разложения и сгорании созданных живыми организмами веществ не происходит, что ведет к накоплению углеродсодержащих соединений. Так, например, древесина живых деревьев может быть на 3-4 тысячелетия надежно защищена от микробного разложения и от пожара корой, способной противостоять действию микробов и огня. Древесина же, попавшая в торфяное болото, сохраняется еще дольше. В обоих случаях связанный в ней углерод оказывается как бы в ловушке и надолго выводится из круговорота. В условиях, когда органическое вещество оказывается захороненным и изолированным от воздействия воздуха, оно разлагается только частично и содержащийся в нем углерод сохраняется. Если впоследствии в течение миллионов лет эти органические остатки подвергаются давлению вышележащих отложений и нагреванию за счет земного тепла, значительная часть его превращается в ископаемое топливо, например в каменный уголь или нефть. Ископаемое топливо образует природный резерв углерода. Несмотря на интенсивное его сжигание, начавшееся с 1700-х годов, неизрасходованными еще остаются примерно 4,5 трлн. т.
Источники пополнения углерода.
Если ограничиться традиционными рамками углеродного цикла, то весь резерв земной атмосферы, океана и биомассы исчерпался бы в довольно короткий срок—за 50—100 тысяч лет. Однако этого не происходит. Почему? Приходится допустить, что запасы углерода на поверхности планеты непрерывно пополняются. Основными источниками поступления углерода ученые считают космос и мантию Земли.
Космическое пространство поставляет нам углерод вместе метеоритным веществом. Точнее будет сказать: поставляло настоящее время поступление космического углерода на планет незначительно — всего 10-10 от общего количества ежегодно “складируемого” в процессе осадконакопления. Но, как полагают многие специалисты, так было далеко не всегда: в прошлые геологические эпохи количество метеоритов и космической пыли было намного больше.
Второй и на сегодняшний день основной поставщик углерода - мантия планеты, причем не только во время извержений вулканов как считалось ранее, но и при дегазации недр, за счет, уже упоминавшегося газового дыхания планеты. Поскольку и здесь углеродные запасы не безграничны, то они, естественно, должны как-то пополняться. И такой механизм пополнения исправно действует и по сей день. Это затягивание осадков океанической коры в мантию при надвигании плит друг на друга.
1.2 Углерод в биосфере и почве
Углерод (С) – активный воздушный и водный мигрант, образующий в биосфере множество органических и минеральных соединений – углеводородов (СО2, СН4, C2H4, С2Н6, СО и др.) и их производных, карбонатов и гидрокарбонатов. Он является главным химическим элементом органического вещества. Углерод в биосфере (педосфере) может находиться в разных фазовых состояниях (твердом, жидком, газообразном), образующих динамическую систему, параметры которой определяются природными и антропогенно-техногенными факторами. Углерод в биосфере представлен наиболее подвижной формой СО2 (диоксид углерода, или углекислый газ).
В истории Земли основным источником СО2 является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Кларковое, или среднее, содержание углекислого газа в атмосфере 0,03 % и в настоящее время оно возрастает, достигая 0,035 %, в земной коре – 0,023, в почвах – 2 %; в биосфере: чистых известняках – 12 %, живом веществе – 18, древесине – 50, каменном угле – 80, нефти – 85 % по объему. В углях, нефти, известняках и других породах содержится около 3 х 1016 т углерода, в атмосфере – 6 х 1011, водах океанов и морей – 4 х 1013, литосфере – 2 х 1017, педосфере (углерод гумуса) – 1,5 х 1012 т. Полный оборот углекислого газа атмосферы Земли через фотосинтез оценивается в 300 лет.
Педосфера является одним из основных резервуаров диоксида углерода в биосфере. Почвы участвуют в балансе СО2, СН4, связывая их в различных формах или, наоборот, способствуя их высвобождению в атмосферу, т.е. почвенный покров играет большую роль в газово-атмосферном режиме планеты. Основным источником СО2 в атмосфере служит дыхание почвы, включающее дыхание корней, микроорганизмов и почвенных животных. Например, эмиссия СО2 (в процессе минерализации органического вещества) почвенного покрова в России составляет 3,12 млрд. т/год. Почвенное органическое вещество является хранилищем самых больших запасов (1395,3 Гт) углерода в наземных экосистемах. Таким образом, почвенный покров своей газовой функцией (по отношению к углероду) выполняет в биосфере важнейшую роль поддержания современного оптимального климата.