Jump to content

Атмосферный углеродный цикл

Схематическое изображение общего возмущения глобального углеродного цикла, вызванного антропогенной деятельностью, в среднем за период с 2010 по 2019 год. [1]

Цикл углерода в атмосфере обеспечивает обмен газообразными соединениями углерода , прежде всего углекислым газом (CO 2 ), между атмосферой Земли, океанами и земной биосферой . планеты Это один из самых быстрых компонентов общего углеродного цикла , обеспечивающий обмен более 200 миллиардов тонн углерода (т.е. гигатонн углерода или GtC) в атмосферу и из нее в течение каждого года. [2] Концентрации CO 2 в атмосфере остаются стабильными в течение более длительных временных масштабов только тогда, когда существует баланс между этими двумя потоками. Метан ( CH 4 ), окись углерода (CO) и другие антропогенные соединения присутствуют в меньших концентрациях и также являются частью атмосферного углеродного цикла. [3]

Человеческая деятельность, в первую очередь добыча и сжигание ископаемого углерода Земли, из литосферы начиная с промышленной революции , нарушила прежний баланс атмосферного углеродного цикла и в основном ответственна за продолжающийся быстрый рост выбросов CO 2 и CH 4 . концентрации [4] По состоянию на 2019 год ежегодные выбросы выросли до 10 ГтУ в год, при этом совокупная сумма впрысков в цикл составила около 450 ГтУ. [5] Наземные и океанические стоки к настоящему времени поглотили половину добавленного углерода, а половина осталась в атмосфере преимущественно в виде CO 2 . Если предположить, что тенденция роста выбросов сохранится, то ко второй половине этого столетия концентрация CO 2 увеличится как минимум вдвое. [6]

Цикл углерода в атмосфере также сильно влияет на энергетический баланс Земли посредством парникового эффекта и влияет на кислотность или щелочность поверхностных вод и почв планеты. Несмотря на то, что он составляет менее 0,05% всех атмосферных газов по мольной доле , [7] недавний рост концентрации углерода вызвал значительное глобальное потепление и закисление океана . [8] Обычно прогнозируется, что такие последствия будут усиливаться до тех пор, пока чистые выбросы не стабилизируются и не сократятся. [6]

Соответствующие газы

[ редактировать ]
Компьютерная модель, показывающая год жизни атмосферного углекислого газа и то, как он путешествует по земному шару. [9]

Атмосфера является одним из основных резервуаров углерода на Земле и по состоянию на 2000 год содержит около 720 гигатонн углерода. [2] Концентрация парниковых газов, в основном углеродосодержащих , резко возросла с наступлением индустриальной эпохи . Это делает понимание углеродного компонента атмосферы чрезвычайно важным. Двумя основными углеродными парниковыми газами являются метан и углекислый газ. [10]

Метан (CH 4 ) является одним из наиболее мощных парниковых газов и в основном образуется в результате пищеварения или распада биологических организмов. Он считается вторым по значимости парниковым газом. [10] однако цикл метана в атмосфере в настоящее время изучен плохо. [11] Количество метана, производимого и поглощаемого ежегодно, варьируется в широких пределах. [10]

Большие запасы метана можно найти в виде метанового льда под вечной мерзлотой и на континентальных шельфах. Дополнительный метан образуется в результате анаэробного распада органического материала и образуется в пищеварительном тракте организмов, почве и т. д. Производство природного метана составляет 10-30% мировых источников метана. [12]

Антропогенный метан производится различными способами, например, при выращивании крупного рогатого скота или при разложении мусора на свалках. Он также производится несколькими промышленными источниками, включая добычу и распространение ископаемого топлива. [11] Более 70% атмосферного метана поступает из биогенных источников. Уровень метана постепенно повышался с наступлением индустриальной эпохи. [13] от ~700 частей на миллиард в 1750 году до ~1775 частей на миллиард в 2005 году. [10]

Метан можно удалить из атмосферы посредством реакции фотохимически образующегося свободного гидроксильного радикала (ОН). [14] [15] Он также может покинуть атмосферу, попадая в стратосферу, где разрушается, или поглощаясь почвенными стоками. [16] Поскольку метан достаточно быстро реагирует с другими соединениями, он не задерживается в атмосфере так долго, как многие другие парниковые газы, например углекислый газ. Его время жизни в атмосфере составляет около восьми лет. [13] Это удерживает концентрацию метана в атмосфере на относительно низком уровне и является причиной того, что в настоящее время он играет второстепенную роль в парниковом эффекте по сравнению с углекислым газом, несмотря на то, что он производит гораздо более мощный парниковый эффект на единицу объема. [11]

Углекислый газ

[ редактировать ]
углекислого газа Мольная доля в тропосфере, 2011 г.

Углекислый газ ( CO 2 ) оказывает сильное влияние на глобальную температуру за счет парникового эффекта . Хотя отдельные молекулы CO 2 имеют короткое время пребывания в атмосфере, для снижения уровня углекислого газа после внезапных повышений, например, из-за извержений вулканов или деятельности человека, требуется чрезвычайно много времени. [17] и среди многих долгоживущих парниковых газов он является самым важным, поскольку составляет самую большую часть атмосферы. [10] Со времени промышленной революции концентрация CO 2 в атмосфере выросла с примерно 280 частей на миллион до почти 400 частей на миллион. [7] Хотя количество внесенного CO 2 составляет лишь небольшую часть глобального углеродного цикла, длительное время пребывания углекислого газа делает эти выбросы важными для общего углеродного баланса. Повышенная концентрация углекислого газа усиливает парниковый эффект, вызывая изменения глобального климата . Из растущего количества углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу каждый год, примерно 80% приходится на сжигание ископаемого топлива и производство цемента. Остальные ~20% связаны с изменением землепользования и вырубкой лесов. [18] Поскольку газообразный углекислый газ не реагирует быстро с другими химическими веществами, основные процессы, которые изменяют содержание углекислого газа в атмосфере, включают обмен с другими резервуарами углерода на Земле, как объясняется в следующих разделах.

Взаимодействие с другими системами

[ редактировать ]
Резервуары и потоки углерода
Основные глобальные резервуары углерода и потоки между ними. [19]

Атмосферный углерод быстро обменивается между океанами и земной биосферой. Это означает, что иногда атмосфера действует как поглотитель, а иногда как источник углерода. [2] В следующем разделе представлен обмен между атмосферой и другими компонентами глобального углеродного цикла.

Земная биосфера

[ редактировать ]

Углерод обменивается с земной биосферой с различной скоростью. Он поглощается в виде углекислого газа автотрофами и превращается в органические соединения . Углерод также выделяется из биосферы в атмосферу в ходе биологических процессов. Аэробное дыхание превращает органический углерод в углекислый газ, а особый тип анаэробного дыхания превращает его в метан. После дыхания в атмосферу обычно выбрасываются углекислый газ и метан. Органический углерод также выбрасывается в атмосферу при сжигании. [19]

Время пребывания углерода в земной биосфере варьируется и зависит от большого числа факторов. Поглощение углерода в биосфере происходит в различных временных масштабах. Углерод поглощается в основном во время роста растений. Закономерность увеличения поглощения углерода наблюдается как в течение суток (меньше углерода поглощается ночью), так и в течение года (меньше углерода поглощается зимой). [10] В то время как органическое вещество животных обычно быстро разлагается, высвобождая большую часть своего углерода в атмосферу в результате дыхания, углерод, хранящийся в виде мертвых растительных веществ, может оставаться в биосфере на протяжении десятилетия и более. Различные типы растений разлагаются с разной скоростью - например, древесные вещества сохраняют углерод дольше, чем мягкие листовые материалы. [20] Активный углерод в почвах может оставаться секвестрированным до тысячи лет, а инертный углерод в почвах может оставаться секвестрированным более тысячелетия. [19]

Ежегодно океан и атмосфера обмениваются большим количеством углерода. Основным контролирующим фактором океано-атмосферного углеродного обмена является термохалинная циркуляция . В регионах океанического апвеллинга богатая углеродом вода из глубин океана выходит на поверхность и выделяет углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В высоких широтах в холодной воде растворено большое количество углекислого газа. Эта вода опускается вниз и переносит углерод на более глубокие уровни океана, где он может оставаться от десятилетий до нескольких столетий. [2] Циркуляция океана приводит к тому, что этот процесс становится переменным. Например, во время явлений Эль-Ниньо глубинный апвеллинг океана снижается, что приводит к меньшему выделению углекислого газа в атмосферу. [18]

Биологические процессы также приводят к обмену углерода между океаном и атмосферой. Углекислый газ уравновешивает атмосферу и поверхностные слои океана. По мере того, как автотрофы добавляют или вычитают углекислый газ из воды посредством фотосинтеза или дыхания , они изменяют этот баланс, позволяя воде поглощать больше углекислого газа или заставляя ее выделять углекислый газ в атмосферу. [2]

Геосфера

[ редактировать ]

Обмен углерода между атмосферой и геосферой обычно происходит очень медленно. Двумя исключениями являются извержения вулканов и сжигание ископаемого топлива , оба из которых очень быстро выбрасывают в атмосферу большое количество углерода. [21] Свежая силикатная порода , подвергшаяся воздействию геологических процессов, поглощает углерод из атмосферы, когда она подвергается воздействию воздуха в результате процессов выветривания и эрозии . [ нужна ссылка ]

Антропогенные источники

[ редактировать ]
Выбросы углекислого газа и разделение
Выбросы CO 2 были вызваны различными источниками, увеличивающимися один за другим ( Глобальный углеродный проект ).
Распределение выбросов CO 2 показывает, что большая часть выбросов поглощается поглотителями углерода, включая рост растений, поглощение почвой и океаном ( Глобальный углеродный проект ).

Деятельность человека изменяет количество углерода в атмосфере непосредственно за счет сжигания ископаемого топлива и других органических материалов, окисляя таким образом органический углерод и производя углекислый газ. [22] [23] Еще одним антропогенным источником углекислого газа является производство цемента . Сжигание ископаемого топлива и производство цемента являются основными причинами увеличения содержания CO 2 в атмосфере с начала индустриальной эпохи. [10]

Другие антропогенные изменения в цикле углерода в атмосфере обусловлены антропогенными изменениями резервуаров углерода. Например, вырубка лесов снижает способность биосферы поглощать углерод, тем самым увеличивая количество углерода в атмосфере. [24]

Поскольку промышленное использование углерода человеком представляет собой совершенно новую динамику в геологическом масштабе, важно иметь возможность отслеживать источники и поглотители углерода в атмосфере. Один из способов сделать это — наблюдать за долей стабильных изотопов углерода , присутствующих в атмосфере. Два основных изотопа углерода: 12 С и 13 C. Растения поглощают более легкий изотоп, 12 С, легче, чем 13 С. [25] Поскольку ископаемое топливо происходит главным образом из растительного сырья, 13 С/ 12 Коэффициент углерода в атмосфере падает при сжигании большого количества ископаемого топлива, высвобождая 12 C. И наоборот, увеличение 13 С/ 12 Уровень углерода в атмосфере предполагает более высокое поглощение углерода биосферой. [19] Отношение ежегодного увеличения выбросов CO 2 в атмосферу по сравнению с выбросами CO 2 от ископаемого топлива и производства цемента называется « воздушной фракцией ». [26] С 1950-х годов его доля в воздухе составляла около 60%, что указывает на то, что около 60% нового углекислого газа в атмосфере каждый год происходит из антропогенных источников. [10] Для ясности: это не означает, что 60% поглощения углекислого газа в атмосферу происходит в результате деятельности человека. Это означает, что атмосфера ежегодно обменивает около 210 гигатонн углерода, но поглощает на 6–10 гигатонн больше, чем теряет. Из этой чистой прибыли около 60% приходится на сжигание ископаемого топлива.

  1. ^ Фридлингштейн, Пьер; О'Салливан, Майкл; Джонс, Мэтью В.; Эндрю, Робби М.; Хаук, Джудит; Олсен, Аре; Питерс, Глен П.; Питерс, Воутер; Понгратц, Джулия; Ситч, Стивен; Ле Кере, Коринн; Канаделл, Хосеп Г.; Сиа, Филипп; Джексон, Роберт Б.; Алин, Симона (2020). «Глобальный углеродный бюджет 2020» . Данные науки о системе Земли . 12 (4): 3269–3340. Бибкод : 2020ESSD...12.3269F . doi : 10.5194/essd-12-3269-2020 . hdl : 20.500.11850/458765 . ISSN   1866-3516 .
  2. ^ Jump up to: а б с д и Фальковский, П.; Скоулз, Р.Дж.; Бойл, Э.; Канаделл, Дж.; Кэнфилд, Д.; Эльзер, Дж.; Грубер, Н.; Хиббард, К.; Хёгберг, П.; Линдер, С.; Маккензи, FT; Мур III, Б.; Педерсен, Т.; Розенталь, Ю.; Зейтцингер, С.; Сметачек, В.; Стеффен, В. (2000). «Глобальный углеродный цикл: проверка наших знаний о Земле как системе». Наука . 290 (5490): 291–296. Бибкод : 2000Sci...290..291F . дои : 10.1126/science.290.5490.291 . ПМИД   11030643 .
  3. ^ Рибик, Холли (16 июня 2011 г.). «Углеродный цикл» . Земная обсерватория . НАСА. Архивировано из оригинала 5 марта 2016 года . Проверено 5 апреля 2018 г.
  4. ^ Хиде, Р. (2014). «Отслеживание антропогенных выбросов углекислого газа и метана среди производителей ископаемого топлива и цемента, 1854–2010 гг.» . Климатические изменения . 122 (1–2): 229–241. Бибкод : 2014ClCh..122..229H . дои : 10.1007/s10584-013-0986-y .
  5. ^ Jump up to: а б с Фридлингштейн, П., Джонс, М., О'Салливан, М., Эндрю, Р., Хаук, Дж., Питерс, Г., Питерс, В., Понгратц, Дж., Ситч, С., Ле Кере, К. и еще 66 человек (2019 г.) «Глобальный углеродный бюджет 2019 г.». Данные науки о системе Земли , 11 (4): 1783–1838. дои : 10.5194/essd-11-1783-2019 . Материал был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 .
  6. ^ Jump up to: а б Массон-Дельмотт, Валери ; Чжай, Панмао ; Пирани, Анна; Коннорс, Сара Л.; Пеан, Клотильда; Бергер, Софи; Кауд, Нада; Чен, Ян; Гольдфарб, Лия; Гомис, Мелисса И.; Хуан, Мэнтянь; Лейтцелл, Кэтрин; Лонной, Элизабет; Мэтьюз, Дж. Б. Робин; Мэйкок, Том К.; Уотерфилд, Тим; Елекчи, Озге; Ю, Ронг; Чжоу, Байцюань, ред. (09.08.2021). «Резюме для политиков». Изменение климата 2021: Физическая научная основа. Вклад Рабочей группы I в шестой оценочный отчет Межправительственной группы экспертов по изменению климата (PDF) . МГЭИК / Издательство Кембриджского университета . Архивировано (PDF) из оригинала 13 августа 2021 г. Проверено 9 августа 2021 г.
  7. ^ Jump up to: а б Танс, Питер; Килинг, Ральф. «Тенденции в области углекислого газа» . Лаборатория исследования системы Земли NOAA .
  8. ^ «Что такое закисление океана?» . Национальная океаническая служба, Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Проверено 30 октября 2020 г.
  9. Год из жизни земного CO2 НАСА : Центр космических полетов Годдарда , 17 ноября 2014 г.
  10. ^ Jump up to: а б с д и ж г час Форстер, П.; Рамавами, В.; Артаксо, П.; Бернтсен, Т.; Беттс, Р.; Фэйи, Д.В.; Хейвуд, Дж.; Лин, Дж .; Лоу, округ Колумбия; Мире, Г.; Нганга, Дж.; Принн, Р.; Рага, Г.; Шульц, М.; Ван Дорланд, Р. (2007), «Изменения в составе атмосферы и радиационном воздействии», Изменение климата, 2007: Физическая основа. Вклад Рабочей группы I в четвертый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата
  11. ^ Jump up to: а б с Пратер, М.; и др. (2001), «Химия атмосферы и парниковые газы», ​​Изменение климата, 2001: Научная основа. Вклад Рабочей группы I в третий оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата
  12. ^ Кепплер, Ф.; Гамильтон, JTG; Брасс, М.; Рёкманн, Т. (2006). «Выбросы метана наземными растениями в аэробных условиях». Природа . 439 (7073): 187–191. Бибкод : 2006Natur.439..187K . дои : 10.1038/nature04420 . ПМИД   16407949 . S2CID   2870347 .
  13. ^ Jump up to: а б Информационный центр Глобальных систем наблюдений (2011 г.). «Состав атмосферы ГСНК ECV: метан (CH4) и другие долгоживущие парниковые газы» . Архивировано из оригинала 8 марта 2012 г. Проверено 4 июня 2012 г.
  14. ^ Платт, Ю.; Аллан, В.; Лоу, Д. (2004). «Средняя концентрация атомов Cl по полушарию от 13 С/ 12 Соотношения C в атмосферном метане» . Atmosphere Chemistry and Physics . 4 (9/10): 2393. Bibcode : 2004ACP.....4.2393P . doi : 10.5194/acp-4-2393-2004 .
  15. ^ Аллан, В.; Лоу, округ Колумбия; Гомес, Эй Джей; Стратерс, Х.; Брэйлсфорд, GW (2005). «Межгодовые изменения содержания 13C в тропосферном метане: последствия для возможного стока атомарного хлора в морской пограничный слой» . Журнал геофизических исследований . 110 (Д11): Д11306. Бибкод : 2005JGRD..11011306A . дои : 10.1029/2004JD005650 .
  16. ^ Борн, М.; Дорр, Х.; Левин, И. (1990). «Потребление метана в аэрированных почвах умеренного пояса». Теллус Б. 42 (1): 2–8. Бибкод : 1990TellB..42....2B . дои : 10.1034/j.1600-0889.1990.00002.x .
  17. ^ Инман, М. (2008). «Углерод навсегда» . Nature сообщает об изменении климата . 1 (812): 156–158. дои : 10.1038/climate.2008.122 .
  18. ^ Jump up to: а б Денман, Кеннет; Брассер, Гай; Чидтайсонг, А.; Сиас, П.; Кокс, П.; Дикинсон, Р..; Хоглустейн, Д.; Хайнце, К.; Холланд, Э.; Джейкоб, Д.; Ломанн, У.; Рамачандран, С.; да Силва Диас, П.; Вофси, С.; Чжан X. (2007), «Связь между изменениями в климатической системе и биогеохимией», Изменение климата, 2007: Физическая основа. Вклад Рабочей группы I в четвертый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата
  19. ^ Jump up to: а б с д Прентис, IC; и др. (2001). «Углеродный цикл и углекислый газ в атмосфере» (PDF) . Изменение климата 2001: Научная основа. Вклад Рабочей группы I в Третий оценочный отчет Межправительственной группы экспертов по изменению климата : 184–238 . Проверено 20 июня 2020 г.
  20. ^ Краткая экологическая инженерия . Книжный дар. ISBN  978-87-403-0197-7 .
  21. ^ «Углеродный цикл и атмосферный CO2 | Земля 530: критическая зона» . www.e-education.psu.edu . Проверено 8 октября 2023 г.
  22. ^ Ван дер Верф, Греция; Рандерсон, Джей Ти; Коллатц, Дж.Дж.; Джильо, Л.; Касибхатла, PS; Арельяно-младший, AF; Олсен, Южная Каролина; Касишке, ЕС (2004). «Распределение выбросов пожаров в континентальном масштабе в период Эль-Ниньо/Ла-Нинья с 1997 по 2001 год» (PDF) . Наука . 303 (5654): 73–76. Бибкод : 2004Sci...303...73V . дои : 10.1126/science.1090753 . ПМИД   14704424 . S2CID   21618974 .
  23. ^ Андреа, Миссури; Мерле, П. (2001). «Выбросы малых газов и аэрозолей при сжигании биомассы» . Глобальные биогеохимические циклы . 15 (4): 955. Бибкод : 2001GBioC..15..955A . дои : 10.1029/2000GB001382 .
  24. ^ Хоутон, РА (2003). «Пересмотренные оценки годового чистого потока углерода в атмосферу в результате изменений в землепользовании и землепользовании в 1850-2000 годах». Теллус Б. 55 (2): 378–390. Бибкод : 2003TellB..55..378H . дои : 10.1034/j.1600-0889.2003.01450.x .
  25. ^ Наказава, Т.; Моримото, С.; Аоки, С.; Танака, М. (1997). «Временные и пространственные изменения изотопного соотношения углерода в атмосферном углекислом газе в западной части Тихого океана» . Журнал геофизических исследований . 102 (Д1): 1271–1285. Бибкод : 1997JGR...102.1271N . дои : 10.1029/96JD02720 .
  26. ^ Килинг, CD; Уорф, Т.П.; Уолен, М.; Ван дер Плихт, Дж. (1995). «Межгодовые экстремальные темпы роста содержания углекислого газа в атмосфере с 1980 года». Природа . 375 (6533): 666. Бибкод : 1995Natur.375..666K . дои : 10.1038/375666a0 . S2CID   4238247 .
  27. ^ Линч, Патрик (12 ноября 2015 г.). «GMS: Брифинг по углероду и климату – 12 ноября 2015 г.» . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Годдард Медиа Студии . Проверено 7 ноября 2018 г.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: b0eecae17a68e48e4b0a87c9efb3415e__1722062820
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/b0/5e/b0eecae17a68e48e4b0a87c9efb3415e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Atmospheric carbon cycle - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)