Углеродный цикл и изменения климата (стр. 2 из 4)

Содержание изотопа С в

атмосферном углекислом газе.

Содержание изотопа выражается отклонением () (

) отношения от общепринятого стандарта. Первые измерения содержания изотопа в атмосфере были проведены Килингом в 1956 году и повторены им же в 1978 году. Значение для атмосферного в 1956 году было равно 7, а в 1978 составляло -7,65. Недавно были опубли-кованы также данные измерений в углекислом газе воздушных включений в ледниках. В среднем оценки уменьшения в атмосферном в течение последних 200 лет составляют 1,0-1,5. Наб-людаемые изменения содержания вызваны главным образом поступлением в атмосферу с меньшим значением при вырубке лесов, изменении харак-тера землепользования и сжигания ископаемого топ-лива.

Содержание изотопа С в атмосферном

углекислом газе.

Количество изотопа на Земле зависит от баланса между образованием под воздействием космического излучения и его радиоактивным распа-дом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной и промышленной революции распределение изотопа в различных резервуарах углерода сохранялось примерно неизменным. До начала заметных измене-ний, вызванных выбросами при испытаниях ядер-ного оружия, с начала прошлого века до середины текущего происходило уменьшение содержания . Оно было главным образом вызвано выбросом за счёт сжигания ископаемого топлива, в котором не содержится радиоактивный изотоп . Это привело к уменьшению содержания в атмосфере. Начиная с первых испытаний ядерного оружия в 1952 и 1954 годах наблюдались существенные изменения в со-держании в атмосферном углекислом газе. Боль-шое поступление

в атмосферу произошло в ре-зультате ядерных испытаний, проведённых США в Тихом океане в 1958 году и СССР в 1961-1962 годах. После этого выбросы были заметно огра-ничены. Первоначально большая часть радиоактивных продуктов переносилась в стратосферу. Поскольку время обмена между стратосферой и атмосферой сос-тавляет несколько лет, то уменьшение концент-рации изотопа в тропосфере, обусловленное вза-имодействием с континентальной биотой и океанами, начиная с 1965 года происходило более медленно за счёт поступления этого изотопа из стратосферы.

Перемешивание в атмосфере.

Перемешивание воздуха в тропосфере проис-ходит довольно быстро. Пассаты в средних широтах в обоих полушариях огибают Землю в среднем при-мерно за один месяц, вертикальное перемещение между земной поверхностью и тропопаузой (на вы-соте от 12 до 16 км) также происходит в течение месяца, перемешивание в направлении с севера на юг в пределах полушария происходит приблизительно за три месяца, а эффективный обмен между двумя полушариями осуществляется примерно за год. Так как в данной работе я рассматриваю процессы, изменения которых происходят за время порядка нескольких лет, десятилетий и столетий, можно считать, что тропосфера в любой момент времени хорошо перемешана. Это предположение основано на том, что средние годовые значения концентрации для высоких северных и высоких южных широт отли-чаются только на 1,5-2,0 млн.Очевидно, что в северном полушарии концентрация выше, чем в южном. Различие концентраций в северном и южном полушариях, вероятно, вызвано тем, что около 90% источников промышленных выбросов расположено в северном полушарии. За последние десятилетия эта разница увеличилась, поскольку потребление иско-паемого топлива также возросло.

Обмен между стратосферой и тропосферой про-исходит значительно медленнее, чем в тропосфере, поэтому сезонные колебания концентрации атмосфер-ного углекислого газа выше тропопаузы быстро уменьшаются. В стратосфере рост концентрации значительно запаздывает по сравнению с её ростом в тропосфере. Так, согласно измерениям, концент-рации на высоте 36 км примерно на 7 млн меньше, чем на уровне тропопаузы (т.е. на высоте 15 км). Это соответствует времени перемешивания между стратосферой и тропосферой, равному 5-8 годам.

Газообмен в системе атмосфера - океан.

Скорость газообмена.

В стационарном состоянии, существовавшем в до-индустриальное время, более 90% содержащегося на Земле изотопа находилось в морской воде и донных отложениях (содержание в последних сос-тавляет всего несколько процентов). Существовал примерный баланс между переносом из атмосферы в океан и радиоактивным распадом внутри океана. Средний глобальный обмен между атмосферой и океаном можно определить путём измерения разности содержания в углекислом газе атмосферы и растворённом в поверхностном слое океана. Данные наблюдений за уменьшением концентрации в атмосфере и её увеличением в поверхностных водах океана после проведения испытаний ядерного оружия дают ещё одну возможность определить скорость газообмена. Третий способ оценки скорости газообмена между атмосферой и океаном заключается в измерении отклонения от состояния равновесия между и , обусловленного поступлением из океана в атмосферу. Средняя скорость газообмена между атмосферой и океаном при концентрации в атмосфере 300 млн, по-лученная на основе этих трёх способов, равна 185 моль/(мгод). Это означает, что среднее время пребывания в атмосфере равно 8,52 лет. Скорость газообмена на границе раздела между атмосферой и океаном зависит от состояния поверхности океана, от скорости ветра и волнения.

Буферные свойства карбонатной системы.

При растворении в морской воде проис-ходит реакция гидратации с образованием угольной кислоты , которая в свою очередь диссоциирует на ионы . Карбонатная система опреде-ляется суммарной концентрацией растворённого неорганического углерода (), кислотностью (pH); парциальным давлением расворённого углекислого газа , которое при условии равновесия с атмо-сферой равно парциальному давлению в атмо-сфере. При поглощении морской водой щё-лочность остаётся неизменной, а образование и разложение органических и неорганических соединений приводит к изменению как . Карбо-натная система имеет следующие основные особенности:

1. Растворимость в морской воде и соот-ветственно концентрация суммарного углерода, находящегося в равновесии с атмосферным при заданном значении концентрации послед-него, зависят от температуры.

2. Обмен между газовой фазой и раствором зависит от так называемого буферного фактора, который также называют фактором Ревелла.

Растворимость и буферный фактор увеличиваются при понижении температуры. Так как изменение парци-ального давления углекислого газа в направлении от полюса к экватору невелико, в среднем переносится из атмосферы в океан в высоких ши-ротах и в противоположном направлении в низких. Буферный фактор имеет величину порядка 10 и увеличивается с ростом значений . Это означает, что чувствительно к довольно малым изменениям в воде. При сохранении равновесия в системе ат-мосфера - поверхностные воды океана изменение концентрации в атмосфере примерно на 25% в течение последних 100 лет вызовет изменение содержания суммарного расворённого неорганичес-кого углерода в поверхностных водах только на 2-2,5%. Таким образом, способность океана поглощать избыточный атмосферный в 10 раз меньше той, которую можно было бы ожидать исходя из сравнения размеров природных резервуаров углерода.

Углерод в морской воде.

Полное содержание углерода и щёлочность.

Как показали исследования, содержание сум-марного неорганического углерода в океане в 1983 году более, чем в 50 раз превышало содержание в атмосфере. Кроме того, в океане находятся зна-чительные количества растворённого органического углерода. Вертикальное распределение не явля-ется однородным, его концентрации в глубинных слоях океана выше, чем в поверхностных. На-блюдается также увеличение концентрации от довольно низких значений в глубинных водах Се-верного Ледовитого океана к более высоким зна-чениям в глубинных водах Атлантического океана, к ещё более высоким в Южном и Индийском океанах до максимальных в Тихом океане. Вертикальное распре-деление щёлочности очень похоже на распределение , однако пределы изменений щёлочности значи-тельно меньше и составляют примерно 30% изменений . Интересно отметить, что поверхностные концент-рации были бы на примерно на 15% выше, если бы океаны были хорошо перемешаны, что в свою очередь означало бы, что концентрация в атмосфере должна быть около 700 млн. Наличие вертикальных градиендов (так же как и щёлочности) в океанах оказывает существенное влияние на концентрации атмосферного .

Фотосинтез, разложение и растворение

органического вещества.

Деятельность морской биоты практически пол-ностью ограничена поверхностными слоями океана, где происходит интенсивный фотосинтез. В про-цессе образования первичной продукции, включающей как органические, так и неорганические соединения углерода, концентрация уменьшается. Влияние этого процесса на щёлочность может быть различным.Несомненно, что увеличение концентрации атмосферного создаёт поток из атмосферы в океан, который в свою очередь должен был изменить доиндустриальное распределение в верхних слоях океана.