Углеродный цикл и изменения климата

на границе раздела между атмосферой и океаном зависит от состояния

поверхности океана, от скорости ветра и волнения.

Буферные свойства карбонатной системы.

При растворении [pic] в морской воде происходит реакция гидратации с

образованием угольной кислоты [pic], которая в свою очередь диссоциирует на

ионы [pic]. Карбонатная система определяется суммарной концентрацией

растворённого неорганического углерода ([pic]); полным содержанием боратов

([pic]В); щелочным резервом (А); кислотностью (pH); парциальным давлением

расворённого углекислого газа [pic], которое при условии равновесия с

атмосферой равно парциальному давлению [pic] в атмосфере. При поглощении

[pic] морской водой щёлочность остаётся неизменной, а образование и

разложение органических и неорганических соединений приводит к изменению

как [pic], так и А. Карбонатная система имеет следующие основные

особенности:

1. Растворимость [pic] в морской воде и соответственно концентрация

суммарного углерода, находящегося в равновесии с атмосферным [pic] при

заданном значении концентрации последнего, зависят от температуры.

2. Обмен [pic] 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 парциального давления углекислого газа в направлении от

полюса к экватору невелико, в среднем [pic] переносится из атмосферы в

океан в высоких широтах и в противоположном направлении в низких, хотя

наблюдаются отклонения от этой упрощённой картины вследствие того, что в

результате апвеллинга из глубинных слоёв океана к поверхности приносятся

обогащённые углекислым газом воды. Буферный фактор имеет величину порядка

10 и увеличивается с ростом значений [pic]. Это означает, что [pic]

чувствительно к довольно малым изменениям [pic] в воде. При сохранении

равновесия в системе атмосфера - поверхностные воды океана изменение

концентрации [pic] в атмосфере примерно на 25% в течение последних 100 лет

вызовет изменение содержания суммарного расворённого неорганического

углерода в поверхностных водах только на 2-2,5%. Таким образом, способность

океана поглощать избыточный атмосферный [pic] 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 суммарного неорганического

углерода в океане в 1983 году более, чем в 50 раз превышало содержание

[pic] в атмосфере. Кроме того, в океане находятся значительные количества

растворённого органического углерода. Вертикальное распределение [pic] не

является однородным, его концентрации в глубинных слоях океана выше, чем в

поверхностных. Наблюдается также увеличение концентрации [pic] от довольно

низких значений в глубинных водах Северного Ледовитого океана к более

высоким значениям в глубинных водах Атлантического океана, к ещё более

высоким в Южном и Индийском океанах до максимальных В Тихом океане.

Вертикальное распределение щёлочности очень похоже на распределение [pic],

однако пределы изменений щёлочности значительно меньше и составляют

примерно 30% изменений [pic]. Интересно отметить, что поверхностные

концентрации [pic] были бы на примерно на 15% выше, если бы океаны были

хорошо перемешаны, что в свою очередь означало бы, что концентрация [pic] в

атмосфере должна быть около 700 млн[pic]. Наличие вертикальных градиендов

[pic](так же как и щёлочности) в океанах оказывает существенное влияние на

концентрации атмосферного [pic].

Фотосинтез, разложение и растворение

органического вещества.

Деятельность морской биоты практически полностью ограничена

поверхностными слоями океана, где происходит интенсивный фотосинтез в

фотической зоне и бактериальное разложение, которое сосредоточено главным

образом также в верхнем стометровом слое океана. По-видимому, только около

10% первичной продукции в виде мёртвой органики в основном в форме

фекальных пеллет и остатков организмов достигает более глубоких слоёв

океана, и, вероятно, около 1% этого вещества откладывается на океаническом

дне. Полная первичная продуктивность океана составляет около [pic]г С/год,

но скорость фотосинтеза на единицу площади значительно изменяется: от 0,5 г

С/(м[pic]сутки) и более в зонах интенсивного апвеллинга до менее 10% этого

значения в пустынных областях океана, которые характеризуются даунвеллингом

и недостатком питательных веществ. Фотосинтез зависит от доступного

количества питательных веществ. Везде, где достаточно света, питательные

вещества расходуются быстро. Отсутствие азота и фосфора чаще всего

лимитирует скорость образования первичной продукции. Однако в высоких

широтах, особенно в Южном океане, наличие сравнительно больших концентраций

как азота, так и фосфора в поверхностных водах указывает на то, что какой-

то другой фактор (вероятно, освещённость) лимитирует первичную

продуктивность.

В процессе образования первичной продукции, включающей как

органические, так и неорганические соединения углерода, концентрация [pic]

уменьшается. Влияние этого процесса на щёлочность может быть различным.

Каждый использованный при образовании органического вещества микромоль

углерода увеличивает щёлочность примерно на 0,16 мкэкв, а когда углерод

используется для образования [pic], она уменьшается на 2 мкэкв. Таким

образом, различия в пространственном распределении [pic] и щёлочности

содержат информацию об относительных значениях продукции и разложения или

растворения органического и неорганического вещества в океане. Несомненно,

что увеличение концентрации атмосферного [pic] создаёт поток [pic] из

атмосферы в океан, который в свою очередь должен был изменить

доиндустриальное распределение [pic] в верхних слоях океана.

[pic]С в океане.

Распределение [pic] в растворённом неорганическом углероде во всех

океанах было получено в ходе экспедиций по программе GEOSECS в 1972-1978

годах. Оказалось, что максимальные значения концентрации [pic] в

поверхностных водах океана пришлись на начало 1970-х годов. Имеется также

небольшое число данных (в основном для глубинных слоёв океана) о значениях

концентрации [pic] в растворённом органическом углероде. Они оказались

очень низкими. Это даёт основание считать, что расворённый органический

углерод в основном состоит из устойчивых соединений. Легко окисляемые

вещества (такие, как сахара и белки) являются важным источником энергии.

Донные осадки океана.

Ежегодно около [pic]г С откладывается на дне океана, часть этих

отложений представляет собой органический углерод, а другая часть - [pic].

Органический углерод является основным источником энергии для организмов,

обитающих на дне моря, и только малая его часть захороняется в осадках,

исключение составляют прибрежные зоны и шельфы. В некоторых ограниченных

областях (например, в некоторых районах Балтийского моря) содержание

кислорода в придонных водах может быть очень низким, соответственно

уменьшается скорость окисления и значительные количества органического

углерода захороняются в осадках. Области с бескислородными условиями

увеличиваются вследствие загрязнения прибрежных вод, и в последние годы,

вероятно, количество легко окисляемого органического вещества также

увеличилось. Выше лизокнина океанические воды пересыщены по отношению к

[pic], уровень лизокнина в Атлантическом океане расположен на глубине 4000

м, а в Тихом - всего лишь на глубине 1000 м. Над лизокнином не происходит

сколько-нибудь заметного растворения [pic], в то время как на больших

глубинах его растворение приводит к уменьшению выпадения в осадок, а ниже

глубины карбонатной компенсации осаждения [pic] не происходит совсем. Так

как толщина верхнего осадочного слоя, в котором происходит перемешивание

осадков организмами, живущими на дне океана (биотурбация), составляет

примерно 10 см, значительное количество углерода ([pic] г) в форме [pic]

медленно обменивается с неорганическим углеродом морской воды, главным

образом на глубине лизокнина.

Содержание изотопа [pic] в океанических осадках довольно быстро

убывает с глубиной, что даёт возможность определить скорость

осадконакопления (она значительно изменялась со времени последнего

оледенения). Тем не менее полное содержание [pic] в осадках мало по

сравнению с его содержанием в атмосфере, биосфере и океанах.

Процессы переноса в океанах.

Вследствие буферных свойств карбонатной системы, изменение

концентрации [pic] растворённого суммарного неорганического углерода в

морской воде, необходимое для достижения состояния равновесия с

возрастающей концентрацией атмосферного углекислого газа, мало, и

равновесное состояние между атмосферным и растворённым в поверхностных

водах [pic] устанавливается быстро. Роль океана в глобальном углеродном

цикле определяется главным образом скоростью обмена вод в океане.

Поверхностные слои океана довольно хорошо перемешаны вплоть до

верхней границы термоклина, т.е. до глубины около 75 м в области широт

примерно 45[pic]с. - 45[pic]ю. В более высоких широтах зимнее охлаждение

вод приводит к перемешиванию до значительно больших глубин, а в

ограниченных областях и в течение коротких интервалов времени перемешивание

вод распространяется до дна океанов (как, например, в Гренландском море и

море Уэдделла). Кроме того, из областей основных течений в широтном поясе

45-55[pic] (Гольфстрим в Северной Атлантике, Куросио в северной части

Тихого океана и Антарктическое циркумполярное течение) происходит

крупномасштабный перенос холодных поверхностных вод в область главного

термоклина (глубина 100-1000 м). В слое термоклина происходит также

вертикальное перемешивание. Оба процесса играют важную роль при переносе

углерода в океане.

Между углекислым газом в атмосфере и растворённым неорганическим

углеродом в поверхностных слоях морской воды равновесие устанавливается

примерно в течение года (если пренебречь сезонными изменениями).

Растворённый неорганический углерод переносится вместе с водными массами из

поверхностных вод в глубинные слои океана. При движении водной массы его

содержание обычно возрастает за счёт поступления углекислого газа при

разложении и растворении детрита, опускающегося из поверхностного слоя

океана. Возникающее в результате увеличение содержания суммарного

растворённого неорганического углерода можно вычислить, принимая во

внимание сопутствующий рост содержания питательных веществ и щёлочности.

Однако, таким способом нельзя достаточно точно определить значения

концентрации [pic] для времени, когда происходило образование глубинных

вод. Как было отмечено ранее, стационарное распределение [pic] в океанах

обеспечивает примерный баланс между переносом, направленным в глубину

(поток детрита), и переносом, направленным к поверхности (перемешивание и

апвеллинг из глубоких слоёв с большими концентрациями [pic]). При

поглощении антропогенного [pic] океаном поток растворённого неорганического

углерода из глубинных слоёв к поверхностным уменьшается из-за повышения

концентрации [pic] в поверхностных слоях океана, но при этом направленный

вниз поток детрита остаётся неизменным. Справедливость этого предположения

подтверждает тот факт, что первичная продуктивность в поверхностном слое

океана обычно лимитируется наличием питательных веществ. Однако питательные

вещества не являются лимитирующим фактором для продуктивности в основных

зонах апвеллинга, расположенных в южной части Антарктического

циркумполярного течения в широтном поясе 55-60[pic] ю.ш. Это обстоятельство

указыавет на то, что имеются другие факторы, лимитирующие рост

фитопланктона в таких широтах: например, приходящая радиация, определяющая

распространение границ морского льда в северные широты весной и ранним

летом южном полушарии. При других климатических режимах факторы,

лимитирующие продуктивность, могут быть совершенно иными. Соответственно

может изменяться и глобальный углеродный цикл.

Авторы статьи, использованной в качестве основы для написания данной

работы, проанализировали некоторые из этих возможных факторов и показали,

что при определённых условиях в поверхностных слоях океана могут

наблюдаться более низкие значения концентраций растворённого

неорганического углерода по сравнению с современными, соответственно

концентрации атмосферного [pic] будут также другими. Эту углеродного цикла

в океане можно отметить как возможный механизм увеличения направленного

вниз потока углерода в случае, если бы потепление в высоких широтах вызвало

уменьшение площади морского ледяного покрова. Это механизм отрицательной

обратной связи между углеродным циклом и климатической системой, т.е.

повышение температуры в атмосфере должно привести к увеличению поглощения

[pic] океаном и уменьшению скорости роста [pic] в атмосфере.

При оценках возможных значений концентраций атмосферного [pic] в

будущем обычно считают, что общая циркуляция океанов не будет изменятся.

Однако несомненно, что в прошлом она менялась. Если потепление, вызванное

ростом концентрации [pic] в атмосфере, будет значительным, то, вероятно,

произойдёт какое-то изменение циркуляции океана. В частности, может

уменьшиться интенсивность образования холодных глубинных вод, что в свою

очередь может привести к уменьшению поглощения антропогенного [pic]

океаном.

Изменение круговорота углерода могло бы произойти также при

увеличении суммарного количества питательных веществ в океане. Если наличие

питательных веществ в поверхностных слоях по-прежнему будет основным

фактором, лимитирующим фотосинтез, их концентрации в этих слоях должны быть

очень низкими. Следовательно, должен увеличится вертикальный градиент

концентрации питательных веществ между обеднёнными этими веществами

поверхностными водами и глубинными слоями. В этом случае за счёт

вертикального перемешивания в океане в поверхностные слои будет

переноситься больше питательных веществ, что приведёт к росту интенсивности

фотосинтеза, и, следовательно, увеличению потока детрита в глубинные слои

океана. Вертикальный градиент концентрации [pic] также возрастёт, а

поверхностные значения [pic] и парциальное давление [pic] при этом

уменьшатся.

Брокер проанализировал возможные механизмы, которые могли бы играть

существенную роль при переходе от ледниковья к межледниковью, особенно

подчеркнув роль фосфатов. Действие этих механизмов могло бы объяснить

довольно низкие концентрации углекислого газа в атмосфере, которые имели

место в конце ледниковой эпохи, и высокие концентрации [pic] в атмосфере в

более тёплый период времени. Показано, что сложные вторичные механизмы

могут вносить свой вклад в возможные изменения концентрации атмосферного

[pic] в течение ближайших 100 лет, помимо непосредственного воздействия

антропогенных выбросов [pic].

Как углерод, так и фосфор поступают в океан с речным стоком. Поток

углерода составляет около [pic]г С/год но может увеличится из-за

интенсификации сельскохозяйственной деятельности и лесопользования.

Поскольку циклы углерода и фосфора взаимосвязаны, полезно оценить рост

потребления фосфора в качестве удобрений в сельском хозяйстве и

промышленности. Годовая добыча фосфора в 1972 году составляла [pic] г. И в

дальнейшем значительно возросла. В водные системы (озёра, реки, моря)

поступает не более 50% фосфора, а возможно, и значительно меньше, так как

часть фосфора, использованного в качестве удобрений на полях и в лесах,

остаётся в почвах.

Для грубой оценки возможного роста первичной продуктивности в водных

системах можно считать, что в процессе фотосинтеза используется 20-50 %

имеющегося количества фосфатов и что образованное таким образом

органическое вещество становится частью углеродного цикла в океане или

захороняется в отложениях. Такое изменение продуктивности приведёт к

удалению из атмосферы и поверхностных слоёв водных систем [pic] г. С/год.

Это количество соответствует 2-6 % годового выброса углерода в атмосферу за

счёт сжигания ископаемого топлива в 1972 году, поэтому данный процесс

нельзя не учитывать при построении моделей изменения глобального климата.

Углерод в континентальной биоте

и в почвах.

Углерод в биоте и первичная

продуктивность.

В течение последних 20 лет были предприняты многочисленные попытки

определения запасов углерода в континентальной растительности и

характеристик его годового круговорота: общей первичной продуктивности,

дыхания и образования детрита. Оценка, характеризующая состояние

континентальной биомассы на 1950 год без учёта сухостоя, равна [pic] г С. В

более поздних работах, основанных на большем количестве данных,

указывается, что эта оценка содержания углерода в живом веществе биомассы

скорее всего завышена. В двух исследованиях, выполненных Дювинье и др., а

также Олсоном и др., более подробно рассматривается неоднородность

существующих биомов, особенно в тропических регионах. Согласно этим двум

исследованиям, содержание углерода в резервуаре живой континентальной

фитомассы на 1970 год было равно [pic] г С. Однако различные оценки

продуктивности трудно сравнивать из-за различия использованных систем

классификации. Сейчас становится ясным, что содержание углерода во

вторичных лесах значительно меньше, чем в девственных тропических лесах, а

площадь, занимаемая первыми, больше, чем считалась ранее. Многие площади,

которые ранее предполагались полностью занятыми сомкнутыми лесами, сейчас

оказались занятыми частично сомкнутыми лесами.

Среднее время пребывания углерода в лесных системах составляет 16-20

лет, но средний возраст деревьев по крайней мере в два раза больше, так как

менее половины чистой первичной продукции превращается в целлюлозу. Среднее

время жизни углерода в растениях, не входящих в лесные системы, равно

примерно 3 годам.

Углерод в почве.

По разным оценкам, суммарное содержание углерода в составляет около

[pic] г С. Главная неопределённость существующих оценок обусловлена

недостаточной полнотой сведений о площадях и содержании углерода в

торфяниках планеты.

Более медленный процесс разложения углерода в почвах холодных

климатических зон приводит к большей концентрации углерода почв (на единицу

поверхности) в бореальных лесах и травянистых сообществах средних широт по

сравнению с тропическими экосистемами. Однако только небольшое количество

(несколько процентов или даже меньше) детрита, поступающего ежегодно в

резервуар почв, остаётся в них в течение длительного времени. Большая часть

мёртвого органического вещества окисляется до [pic] за несколько лет. В

чернозёмах около 98% углерода подстилки характеризуется временем оборота

около 5 месяцев, а 2% углерода подстилки остаются в почве в среднем в

течение 500-1000 лет. Эта характерная черта почвообразовательного процесса

проявляется также в том, что возраст почв в средних широтах, определяемый

радиоизотопным методом, составляет от нескольких сотен до тысячи лет и

более. Однако скорость разложения органического вещества при трансформации

земель, занятых естественной растительностью, в сельскохозяйственные угодья

совершенно другая. Например, высказывается мнение, что 50% органического

углерода в почвах, используемых в сельском хозяйстве Северной Америки,

могло быть потеряно вследствие окисления, так как эти почвы начали

эксплуатироваться до начала прошлого века или в самом его начале.

Изменения содержания углерода в

континентальных экосистемах.

За последние 200 лет произошли значительные изменения в

континентальных экосистемах в результате возрастающего антропогенного

воздействия. Когда земли, занятые лесами и травянистыми сообществами,

превращаются в сельскохозяйственные угодья, органическое вещество, т.е.

живое вещество растений и мёртвое органическое вещество почв, окисляется и

поступает в атмосферу в форме [pic]. Какое-то количество элементарного

углерода может также захораниваться в почве в виде древесного угля (как

продукт, оставшийся от сжигания леса) и, таким образом, изыматься из

быстрого оборота в углеродном цикле. Содержание углерода в различных

компонентах экосистем изменяется, поскольку восстановление и деструкция

органического вещества зависят от географической широты и типа

растительности.

Были проведены многочисленные исследования, имевшие своей целью

разрешить существующую неопределённость в оценке изменений запасов углерода

в континентальных экосистемах. Основываясь на данных этих исследований,

можно прийти к выводу о том, что поступление [pic] в атмосферу с 1860 по

1980 год составило [pic] г С и что в 1980 году биотический выброс углерода

был равен [pic] г С/год. Кроме того, возможно влияние возрастающих

атмосферных концентраций [pic] и выбросов загрязняющих веществ, таких, как

[pic] и [pic], на интенсивность фотосинтеза и деструкции органического

вещества континентальных экосистем. По-видимому, интенсивность фотосинтеза

растёт с увеличением концентрации [pic] в атмосфере. Наиболее вероятно, что

этот рост характерен для сельскохозяйственных культур, а в естественных

континентальных экосистемах повышение эффективности использования воды

могло бы привести к ускорению образования органического вещества.

Прогнозы концентрации углекислого

газа в атмосфере на будущее.

Основные выводы.

За последние десятилетия было создано большое количество моделей

глобального углеродного цикла, рассматривать которые в данной работе не

представляется целесообразным из-за того, что они в достаточной мере сложны

и объёмны. Рассмотрим лишь кратко основные их выводы. Различные сценарии,

использованные для прогноза содержания [pic] в атмосфере в будущем, дали

сходные результаты. Ниже приведёна попытка подвести общий итог наших

сегодняшних знаний и предположений, касающихся проблемы антропогенного

изменения концентрации [pic] в атмосфере.

. С 1860 по 1984 год в атмосферу поступило [pic] г С за счёт сжигания

ископаемого топлива, скорость выброса [pic] в настоящее время (по

данным на 1984 год) равна [pic] г С/год.

. В течение этого же периода времени поступление [pic] в атмосферу за

вырубки лесов и изменения характера землепользования составило [pic]

г С, интенсивность этого поступления в настоящее время равна [pic] г

С/год.

. С середины прошлого века концентрация [pic] в атмосфере увеличилась

от [pic] до [pic] млн[pic] в 1984 году.

. Основные характеристики глобального углеродного цикла хорошо

изучены. Стало возможным создание количественных моделей, которые

могут быт положены в основу прогнозов роста концентрации [pic] в

атмосфере при использовании определённых сценариев выброса.

. Неопределённости прогнозов вероятных изменений концентрации [pic] в

будущем, получаемых на основе сценариев выбросов, значительно меньше

значительно меньше неопределённостей самих сценариев выбросов.

. Если интенсивность выбросов [pic] в атмосферу в течение ближайших

четырёх десятилетий останется постоянной или будет возрастать очень

медленно (не более 0,5% в год) и в более отдалённом будущем также

будет расти очень медленно, то к концу XXI века концентрация

атмосферного [pic] составит около 440 млн[pic], т.е. не более, чем

на 60% превысит доиндустриальный уровень.

. Если интенсивность выбросов [pic] в течение ближайших четырёх

десятилетий будет возрастать в среднем на 1-2 % в год, т.е. также,

как она возрастала с 1973 года до настоящего времени, а в более

отдалённом будущем темпы её роста замедлятся, то удвоение содержания

[pic] в атмосфере по сравнению с доиндустриальным уровнем произойдёт

к концу XXI века.

. Основные неопределённости прогнозов концентрации [pic] в атмосфере

вызваны недостаточным знанием роли следующих факторов:

. скорости водообмена между поверхностными, промежуточными и

глубинными слоями океана;

. чувствительности морской первичной продукции к изменениям

содержания питательных веществ в поверхностных водах;

. захоронения органического вещества в осадках в прибрежных

районах (и озёрах);

. изменение щёлочности, и, следовательно, буферного фактора

морской воды, вызванных ростом содержания растворённого

неорганического углерода;

. увеличения интенсивности фотосинтеза и роста биомассы и

почвенного органического вещества в континентальных

экосистемах за счёт роста концентрации [pic] в атмосфере и

возможного отложения питательных веществ, поступающих из

антропогенных источников;

. увеличения скорости разложения органического вещества почв,

особенно в процессе эксплуатации лесов;

. образования древесного угля в процессе горения биомассы.

Величина ожидаемого изменения средней глобальной температуры при

удвоении концентрации [pic] приблизительно соответствует величине её

изменения при переходе от последнего ледникового периода к современному

межледниковью. Более умеренное потребление ископаемого топлива в течение

ближайших десятилетий могло бы продлить возможность его использования на

более отдалённую перспективу. В этом случае концентрация [pic] в атмосфере

не достигнет удвоенного значения по сравнению с доиндустриальным уровнем.

Проблема изменения климата в результате эмиссии парниковых газов

должна рассматриваться как одна из самых важных современных проблем,

связанных с долгосрочными воздействиями на окружающую среду, и

рассматривать её нужно в совокупности с другими проблемами, вызванными

антропогенными воздействиями на природу.

Список литературы.

1. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. / Под редакцией Б.

Болина, Б. Р. Десса, Дж. Ягера, Р. Уоррика. / Ленинград, Гидрометеоиздат

- 1989.

2. М. И. Будыко. Климат и жизнь. / Ленинград, Гидрометеоиздат - 1971.

3. М. И. Будыко. Изменения климата. / Ленинград, Гидрометеоиздат - 1974.

Страницы: 1, 2