Войти
2011 двуокись углерода мольная доля в тропосфера.Атмосфера - один из основных резервуаров углерода на Земле и важный компонент глобального углеродного цикла, содержащий примерно 720 гигатонн углерода. Атмосферный углерод играет важную роль в парниковом эффекте. Наиболее важным углеродным соединением в этом отношении является газ диоксид углерода (CO. 2). Хотя он составляет небольшой процент от атмосферы (приблизительно 0,04% на молярной основе), он играет жизненно важную роль в удержании тепла в атмосфере и, следовательно, в парниковом эффекте. Другие газы, влияющие на климат и содержащие углерод в атмосфере, - это метан и хлорфторуглероды (последний полностью антропогенный ). Выбросы людей за последние 200 лет почти удвоили количество углекислого газа в атмосфере.
Концентрация парниковых газов, в основном связанных с углеродом количество газов резко возросло с начала промышленной эры. Это делает очень важным понимание углеродного компонента атмосферы. Двумя основными углеродными парниковыми газами являются метан и диоксид углерода.
Метан (CH 4) является одним из наиболее сильных парниковых газов и в основном производится пищеварение или разложение биологических организмов. Он считается вторым по значимости парниковым газом, однако метановый цикл в атмосфере в настоящее время изучен плохо. Количество метана, производимого и поглощаемого ежегодно, колеблется в широких пределах.
Большие запасы метана могут быть обнаружены в виде метанового льда под вечной мерзлотой и на континентальных шельфах. Дополнительный метан образуется в результате анаэробного распада органического материала и вырабатывается в пищеварительном тракте организмов, почве и т. Д. Производство природного метана составляет 10-30% мировых источников метана.
Антропогенное происхождение. метан производится различными способами, например путем разведения скота или разложения мусора на свалках. Он также производится несколькими промышленными источниками, включая добычу и распределение ископаемого топлива. Более 70% атмосферного метана поступает из биогенных источников. Уровни метана постепенно повышались с начала промышленной эры, с ~ 700 частей на миллиард в 1750 году до ~ 1775 частей на миллиард в 2005 году.
Метан может быть удален из атмосферы посредством реакции фотохимически полученного гидроксила свободный радикал (ОН). Он также может покидать атмосферу, попадая в стратосферу, где разрушается, или поглощаясь стоками почвы. Поскольку метан довольно быстро реагирует с другими соединениями, он не остается в атмосфере так долго, как многие другие парниковые газы, например углекислый газ. Его время жизни в атмосфере составляет около восьми лет. Это сохраняет 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.
Двуокись углерода (CO. 2 ) оказывает сильное потепление на глобальные температуры за счет парникового эффекта. Хотя отдельные молекулы CO 2 имеют короткое время пребывания в атмосфере, требуется очень много времени, чтобы уровни углекислого газа понизились после внезапных повышений, например, из-за извержения вулканов или деятельность человека, а также среди многих долговременных парниковых газов он является наиболее важным, поскольку составляет самую большую часть атмосферы. После промышленной революции концентрация CO 2 в атмосфере увеличилась с примерно 280 ч. / Млн до почти 400 ч. / Млн. Хотя количество введенного CO 2 составляет лишь небольшую часть глобального углеродного цикла, длительное время пребывания диоксида углерода делает эти выбросы значимыми для общего углеродного баланса. Повышенная концентрация углекислого газа усиливает парниковый эффект, вызывая изменения глобального климата. Из увеличенного количества двуокиси углерода, ежегодно попадающего в атмосферу, приблизительно 80% приходится на сжигание ископаемого топлива и производство цемента. Остальные ~ 20% связаны с изменением землепользования и обезлесением. Поскольку газообразный диоксид углерода не реагирует быстро с другими химическими веществами, основные процессы, которые изменяют содержание диоксида углерода в атмосфере, включают обмены с другими резервуарами углерода Земли, как объясняется в следующих разделах.
Основные глобальные резервуары углерода и потоки между ними. Атмосферный углерод быстро обменивается между океанами и земной биосферой. Это означает, что иногда атмосфера действует как сток, а иногда как источник углерода. В следующем разделе описываются обмены между атмосферными и другими компонентами глобального углеродного цикла.
Углерод с различной скоростью обменивается с земной биосферой. Он поглощается в виде диоксида углерода автотрофами и превращается в органические соединения. Углерод также выделяется из биосферы в атмосферу в ходе биологических процессов. Аэробное дыхание превращает органический углерод в диоксид углерода, а особый тип анаэробного дыхания преобразует его в метан. После дыхания диоксид углерода и метан обычно выбрасываются в атмосферу. Органический углерод также выделяется в атмосферу во время горения.
Время пребывания углерода в земной биосфере варьируется и зависит от большого количества факторов. Поглощение углерода биосферой происходит в различных временных масштабах. Углерод поглощается в основном во время роста растений. Наблюдается повышенное поглощение углерода как в течение дня (меньше углерода поглощается ночью), так и в течение года (зимой поглощается меньше углерода). В то время как органическое вещество у животных обычно быстро разлагается, выделяя большую часть своего углерода в атмосферу через дыхание, углерод, хранящийся в виде мертвого растительного вещества, может оставаться в биосфере до десяти или более лет. Разные типы растений разлагаются с разной скоростью - например, древесные вещества сохраняют свой углерод дольше, чем мягкие листовые материалы. Активный углерод в почвах может оставаться изолированным до тысячи лет, в то время как инертный углерод в почвах может оставаться изолированным более тысячелетия.
Большие количества углеродный обмен между океаном и атмосферой происходит каждый год. Основным контролирующим фактором углеродного обмена между океаном и атмосферой является термохалинная циркуляция. В районах океанического апвеллинга богатая углеродом вода из глубин океана выходит на поверхность и выделяет углерод в атмосферу в виде двуокиси углерода. В более высоких широтах в холодной воде растворяется 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. События циркуляции океана делают этот процесс изменчивым. Например, во время событий Эль-Ниньо наблюдается менее глубокий апвеллинг в океане, что приводит к меньшему выделению углекислого газа в атмосферу.
Биологические процессы также приводят к обмену углерода между океаном и атмосферой. Углекислый газ уравновешивает атмосферу и поверхностные слои океана. Поскольку автотрофы добавляют или вычитают диоксид углерода из воды посредством фотосинтеза или дыхания, они изменяют этот баланс, позволяя воде поглощать больше диоксида углерода или заставляя ее выбрасывают углекислый газ в атмосферу.
Углерод обычно очень медленно обменивается между атмосферой и геосферой. Двумя исключениями являются извержения вулканов и сжигание ископаемого топлива, оба из которых очень быстро выделяют большое количество углерода в атмосферу. Свежая силикатная порода, которая подвергается воздействию геологических процессов, поглощает углерод из атмосферы, когда она подвергается воздействию воздуха в результате процессов выветривания и эрозии.
Деятельность человека изменяет количество углерода в атмосфере непосредственно за счет сжигания ископаемого топлива и других органических материалов, таким образом окисляя органический углерод и производя диоксид углерода. Другой антропогенный источник двуокиси углерода - производство цемента. Сжигание ископаемого топлива и производство цемента являются основными причинами увеличения содержания CO в атмосфере 2 с начала индустриальной эры.
Другие антропогенные изменения в круговороте углерода в атмосфере: из-за антропогенных изменений углеродных резервуаров. Обезлесение, например, снижает способность биосферы поглощать углерод, тем самым увеличивая количество углерода в атмосфере.
Поскольку промышленное использование углерода людьми является очень новой динамикой в геологическом масштабе, это важно чтобы иметь возможность отслеживать источники и поглотители углерода в атмосфере. Один из способов сделать это - наблюдать за долей стабильных изотопов углерода , присутствующих в атмосфере. Двумя основными изотопами углерода являются C и C. Растения поглощают более легкий изотоп C легче, чем C. Поскольку ископаемое топливо происходит в основном из растительного вещества, соотношение C / C в атмосфере падает при сжигании большого количества ископаемого топлива. с высвобождением углерода. И наоборот, увеличение C / C в атмосфере предполагает более высокое поглощение углерода биосферой. Отношение годового увеличения атмосферного CO 2 по сравнению с выбросами CO 2 от ископаемого топлива и производимого цемента называется «воздушной фракцией». Доля переносимого по воздуху составляла около 60% с 1950-х годов, что указывает на то, что около 60% нового двуокиси углерода в атмосфере каждый год происходит от людей. 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.
