Глобальный круговорот углерода и климат

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава I. Источники углерода на Земле
1.1 Источники ирезервы углерода на Земле
1.2 Углерод вбиосфере и почве
Выводы по I главе
Глава II. Глобальный круговорот углерода
2.1 Круговороты химических элементовв биосфере
2.2 Биогеохимические круговоротыуглерода: ландшафтный, малый и биосферный
Выводы по II главе
Глава III. Влияние круговорота углерода на глобальный климат
3.1 Концентрация углерода в системелитосфера — гидросфера — атмосфера
3.2 Изменение содержания углерода ватмосфере в разные геологические периоды
3.3 Парниковые газы и атмосферныеаэрозоли 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 ипротокол Киото
4.2 Способы сокращения парниковых газовв атмосфере
Выводы по IV главе
Заключение
Литература

Введение
Тема данной выпускнойквалификационной работы: «Глобальный круговорот углерода и климат».
Актуальность.Человеческая деятельность привела к разомкнутости биогеохимического круговоротадиоксида углерода (СО2) в наземных экосистемах. Особое место всовременных биогеохимических циклах углерода занимают сжигание горючихископаемых (угля, нефти, газа и др.), обжиг извести, лесные пожары, вырубкалесов, распашка земель. Следствием чего явился прогрессирующий рост егосодержания в атмосфере, что катализирует парниковый эффект и может привести кнепредсказуемым последствиям – это в первую очередь необратимые глобальныеизменения климата в сторону потепления, в результате которых произойдет таяние ледниковыхпокровов, многолетней мерзлоты и, как следствие, повышение уровня Мировогоокеана. Будет нарушена экологическая стабильность планеты. Снижение выбросов парниковых газов возможно путемиспользования альтернативной энергетики, снижения энергоемкости и общеймощности хозяйственной деятельности человека, а также восстановленияестественных лесов.
Цель работы: выявитьзначение круговорота углерода в глобальном изменении климата и определить путирешения 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 литературупо данной теме;
2.  Определить источники углерода наЗемле;
3.  Рассмотреть его биогеохимические круговороты;
4.  Описать влияние концентрацииуглекислого газа на парниковый эффект;
5.  Определить механизм перераспределенияуглерода между сферами географической оболочки в разные геологические эпохи;
6.  Выявить основные неопределенностивлияния антропогенного углерода на климат;
7.  Выявить способы пониженияконцентрации углекислого газа в атмосфере.

Глава I. Источники углерода на Земле
1.1 Источники ирезервы углерода на Земле
Как показывают новейшиеисследования возникновение Земли как планеты связано с существованием в прошломдвойной звезды Юпитер-Солнце. Она образовалась из 6-й сброшенной Юпитеромоболочки в процессе его звездной эволюции, которая закончилась 3.3 млрд. л.н.
Этим обусловленпервоначальный состав вещества Земли, включающий все элементы шести периодовтаблицы Менделеева, синтезированные Юпитером, в том числе такие важные длясуществования жизни, как углерод — основа биогеохимии.
Основнойисточник углерода для живых организмов — это атмосфера Земли, где данныйэлемент присутствует в виде диоксида углерода (углекислого газа, СО2).Масса этого вещества в атмосфере оценивается астрономической цифрой 4 · 1011тонн! В процессе выветривания и фотосинтеза ежегодно из атмосферы поглощается более8 · 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 углеродаприсутствует в воде, где он легко растворяется, образуя слабую угольную кислотуН2СО3. Эта кислота вступает в реакции с кальцием и другимиэлементами, образуя минералы, называемые карбонатами. Карбонатные породы, напримеризвестняк, находятся в равновесии с диоксидом углерода, который содержится в контактирующейс ними воде. Аналогичным образом количество СО2, растворенного в океанахи пресных водах, определяется его концентрацией в атмосфере. Общее количество растворенныхи осадочных углеродсодержащих веществ оценивается примерно в 1,8 трлн. т.
Еще одним переносчикомуглерода является метан. Его в атмосфере тоже немало—около 5 · 109 тонн.Однако из атмосферы происходит утечка метана в стратосферу и далее в космическоепространство. Кроме того, метан расходуется и в результате фотохимических реакций.Продолжительность существования молекулы метана в атмосфере в среднем составляет5 лет.
Углерод в соединениис водородом и другими элементами является одним из основных компонентов клеток растенийи животных. Например, в организме человека он составляет около 18% массы тела. Многочисленностьи очень широкое распространение живых организмов не позволяют удовлетворительнооценить общее содержание в них углерода. Можно, однако, приблизительно оценить суммарноеколичество углерода, связываемого растениями, а также выделяемого в процессе дыханиярастений, животных и микроорганизмов. Установлено, что зеленые растения поглощаютв год около 220 млрд. т CO2. Почти такое же количество этого веществавыделяется в неорганическую среду в процессе дыхания всех живых организмов, а такжев результате разложения и сгорания органических веществ.
При определенныхусловиях разложения и сгорании созданных живыми организмами веществ не происходит,что ведет к накоплению углеродсодержащих соединений. Так, например, древесина живыхдеревьев может быть на 3-4 тысячелетия надежно защищена от микробного разложенияи от пожара корой, способной противостоять действию микробов и огня. Древесина же,попавшая в торфяное болото, сохраняется еще дольше. В обоих случаях связанный вней углерод оказывается как бы в ловушке и надолго выводится из круговорота. В условиях,когда органическое вещество оказывается захороненным и изолированным от воздействиявоздуха, оно разлагается только частично и содержащийся в нем углерод сохраняется.Если впоследствии в течение миллионов лет эти органические остатки подвергаютсядавлению вышележащих отложений и нагреванию за счет земного тепла, значительнаячасть его превращается в ископаемое топливо, например в каменный уголь или нефть.Ископаемое топливо образует природный резерв углерода. Несмотря на интенсивное егосжигание, начавшееся с 1700-х годов, неизрасходованными еще остаются примерно 4,5трлн. т.
Источники пополненияуглерода.
Если ограничитьсятрадиционными рамками углеродного цикла, то весь резерв земной атмосферы, океанаи биомассы исчерпался бы в довольно короткий срок—за 50—100 тысяч лет. Однако этогоне происходит. Почему? Приходится допустить, что запасы углерода на поверхностипланеты непрерывно пополняются. Основными источниками поступления углерода ученыесчитают космос и мантию Земли.
Космическое пространствопоставляет нам углерод вместе метеоритным веществом. Точнее будет сказать: поставлялонастоящее время поступление космического углерода на планет незначительно — всего10-10 от общего количества ежегодно “складируемого” в процессе осадконакопления.Но, как полагают многие специалисты, так было далеко не всегда: в прошлые геологическиеэпохи количество метеоритов и космической пыли было намного больше.
Второй и на сегодняшнийдень основной поставщик углерода — мантия планеты, причем не только во время изверженийвулканов как считалось ранее, но и при дегазации недр, за счет, уже упоминавшегосягазового дыхания планеты. Поскольку и здесь углеродные запасы не безграничны, тоони, естественно, должны как-то пополняться. И такой механизм пополнения исправнодействует и по сей день. Это затягивание осадков океанической коры в мантию принадвигании плит друг на друга.

1.2 Углерод в биосфере ипочве
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 органическоговещества. Углерод в биосфере (педосфере) может находиться в разных фазовых состояниях(твердом, жидком, газообразном), образующих динамическую систему, параметры которойопределяются природными и антропогенно-техногенными факторами. Углерод в биосферепредставлен наиболее подвижной формой СО2 (диоксид углерода, или углекислыйгаз).
В историиЗемли основным источником СО2 является вулканическая деятельность, связаннаяс 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 % пообъему. В углях, нефти, известняках и других породах содержится около 3 х 1016т углерода, в атмосфере – 6 х 1011, водах океанов и морей – 4 х 1013,литосфере – 2 х 1017, педосфере (углерод гумуса) – 1,5 х 1012т. Полный оборот углекислого газа атмосферы Земли через фотосинтез оценивается в300 лет.
Педосфераявляется одним из основных резервуаров диоксида углерода в биосфере. Почвы участвуютв балансе СО2, СН4, связывая их в различных формах или, наоборот,способствуя их высвобождению в атмосферу, т.е. почвенный покров играет большую рольв газово-атмосферном режиме планеты. Основным источником СО2 в атмосфереслужит 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 органическоевещество является хранилищем самых больших запасов (1395,3 Гт) углерода в наземныхэкосистемах. Таким образом, почвенный покров своей газовой функцией (по отношениюк углероду) выполняет в биосфере важнейшую роль поддержания современного оптимальногоклимата.
Одной изглавных составных частей газовой фазы почвы (почвенного воздуха) является углекислыйгаз. Почвенный воздух существенно отличается от атмосферного, в нем в 10–100 разбольше СО2. Это связано с тем, что почва поглощает богатый кислородом(21 %) атмосферный воздух и выделяет СО2 (что характерно для процессадыхания). Поэтому газообмен между почвой и атмосферой называют «дыханием»почвы. По количеству выделенного СО2 можно ориентировочно судить о биологическойактивности почвы (характеризует интенсивность биологических процессов, протекающихв почве). Чем интенсивнее биологические процессы в почве, тем больше она выделяетСО2. При одинаковых условиях (температуре, влажности и т.п.) чем вышесодержание органического вещества в почве, тем больше она выделяет СО2.В лесных почвах воздух содержит значительно больше СО2 (за счет дыханиякорней растений), чем в пахотных.
Диоксид углерода принимает непосредственное участие в процессахвыветривания-почвообразования. Он является важным фактором химического выветриванияпород и минералов (например, карбонаты переходят в бикарбонаты и т.п.), влияет накислотность-щелочность почвенного раствора, увеличивает растворимость фосфатов,усиливает мобилизацию питательных элементов, т.е. переход их в доступное для растенийсостояние.
Диоксид углерода(непременный компонент атмосферного воздуха) в настоящее время рассматривается какзагрязняющее вещество в связи с тем, что за последние десятилетия его поступлениев атмосферу в результате сжигания горючих материалов (угля, нефти, газов, сланцеви др.) настолько велико, что не может полностью перерабатываться растениями планетыи растворяться водами Мирового океана.
Выводы по I главе
Вся земная жизнь основанана углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета.Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли,где существует жизнь) в другую. Известный географИ.М.Забелин высказал мысль, что природа создала сначала жизнь для ускорения круговоротауглерода, а затем разум для того, чтобы ускорить развитие биосферы.
Основной источник углеродадля живых организмов — это атмосфера Земли, где данный элемент присутствует в видедиоксида углерода (углекислого газа, СО2). Еще одним переносчиком углеродаявляется метан. Однако из атмосферы происходит утечка метана в стратосферу и далеев космическое пространство.
Если ограничиться традиционнымирамками углеродного цикла, то весь резерв земной атмосферы, океана и биомассы исчерпалсябы в довольно короткий срок—за 50—100 тысяч лет. Однако этого не происходит. Запасыуглерода на поверхности планеты непрерывно пополняются из космического пространстваи мантии Земли.

Глава II. Глобальный круговорот углерода
2.1 Круговороты химическихэлементов в биосфере
Изменения, происходящиев мире, разделяются на регулярные и хаотические. Устойчивые изменения часто имеютциклический характер, когда система снова и снова переходит в точно такое же состояние, в котором она была в началепроцесса. Цикл (греческое kyklos – круг) характеризуется периодом, амплитудой, т.е.размахом колебаний и порядком следования событий перехода системы из одного состоянияв другое. Промежуток между последовательными событиями, содержанием которого являетсяодин из взаимосвязанных процессов цикла или одно из возможных состояний системыпредставляет собой фазу цикла.
Планетарный круговорот веществ – процессперемещения и превращения вещества, неизменно повторяющийся цикл развития в системеземных геосфер (литосфере, гидросфере, атмосфере, педосфере) и, прежде всего, вбиосфере. Символом круговорота служит не круг, а циклоида – линия, описываемая точкой,находящейся на ободе движущегося колеса, т.е. движение (развитие) по спирали, имеющееболее или менее выраженный циклический характер. Как отмечает А.И. Перельман, термин«круговорот» нельзя признать удачным, так как он создает впечатление оразвитии по кругу, о возвращении системы в прежнее состояние. В действительностикруговорот элементов обратим не полностью, часть веществ из него изымается и фоссилизуется(захороняется) в биосфере и стратисфере (осадочной оболочке Земли и слоистых вулканическихпородах) в виде гумуса, пород и минералов (известняков, торфа и др.). В результатесистемы не возвращаются в прежнее состояние, для них характерно поступательное развитие.
Круговорот веществ – основное свойствогеосфер различных уровней, отражение единства вещества на планете. Он создает основноймеханизм превращения на Земле вещества (солей, газов, взвесей и т.д.) и энергии(теплоты) и объединяет разные слои (оболочки) планеты. Например, вулканические изверженияпоставляют СО2 в атмосферу и гидросферу, а фотосинтез и карбонатообразованиеизымают СО2, связывая углерод в карбонатах и органических соединениях.Таким образом, происходит обратная связь между глубокими частями земной коры (авозможно, и верхней мантии) и биосферой, названная А.И. Перельманом «геохимическимциклом (круговоротом)», в котором участвует земная кора (биосфера, стратисфера,метаморфическая и гранитная оболочки) и который включает в себя тектономагматическиеи биосферные циклы [20].
Освещая вопросо круговороте химических элементов, важно отметить, что в природе постоянно протекаютразличные химические реакции. Часть этих реакций проходит без участия живых существ,а часть — при их непосредственном участии, т. е. в живой природе. В результате химическихпроцессов атомы перемещаются, движутся. Вследствие этого происходит обмен веществи энергии между всеми оболочками Земли: литосферой, атмосферой, гидросферой, биосферой.Круговорот химических элементов является причиной постоянства протекания химическихреакций. Можно сказать, что благодаря круговороту химических элементов — повторяющимсяпроцессам превращения и перемещения веществ в природе — возможна жизнь на Земле.
Круговая или спиральнаяупорядоченность проявляется и при взаимодействииразнородных систем. В биологический круговорот веществ вовлечена как косная, таки живая природа: на поверхности суши и в верхних слоях морей идут процессы аккумуляцииэлементов в живых организмах, а в почве и в глубинах водоемов разложение органикиприводит к минерализации.
Биогеохимическаямашина Земли представлена циклами элементов, связанных между собой. Это углерод,кислород, азот, кальций, магний, фосфор, сера, кремний, железо.
Главенствующимявляется цикл органического углерода (рис.1), с ним сопряжены циклы углекислотыи кислорода.
/>
Рис.1 Круговоротуглерода
Превращение неорганическогоуглерода в первичную продукцию происходит в этом цикле за счет использования солнечнойэнергии цианобактериями, водорослями, растениями и в малой степени хемоавтотрофами,использующими эндогенный водород. В процессе фотосинтеза создаются органическиевещества из углекислоты и воды при участии ферментов в хлоропластах клеток автотрофов,превращающих в свои ткани углекислоту, воду, минеральные соли, основными элементамикоторых являются калий, фосфор, азот, и поставляющих в атмосферу кислород. В деструкционнойчасти цикла органического углерода участвуют органотрофные организмы; конечным продуктомдеструкции является углекислота, замыкающая цикл органического углерода и сопрягающаяего с циклом неорганического углерода и циклом кислорода. Выделение углекислотыв атмосферу идет на всех уровнях биоценоза. Поступление углекислого газа, продуктапроцессов окисления, имеет суточную и сезонную ритмику.
Цикл органическогоуглерода дополняется циклами азота, кальция, магния, кремния, серы, железа. Из отдельных циклических процессов складывается круговорот – взаимосвязанноепревращение и перемещение веществ в природе не полностью обратимое.
Циклические илиорганогенные элементы имеют наибольшую суммарную массу в биосфере. Для циклическихэлементов характерны многочисленные химические обратимые процессы. Их геохимическаяистория может быть выражена круговыми процессами (циклами). Каждый элемент даетхарактерные для определенной геосферы соединения, постоянно возобновляющиеся. Послеболее или менее продолжительных и более или менее сложных изменений элемент возвращаетсяк первичному соединению и начинает новый цикл, завершающийся для элемента новымвозвращением к первоначальному состоянию. Великие ученые, открывшие в 1773 г. земныегазы (O2, CO2, H2O, NH3, H2S, SO2, SO3, H2, CH4, CO, CHOH, CSO, NO2) и их свойства, предугадали эти характерные химические циклы.Имена этих ученых Д. Прингль и Д. Пристлей. Затем в 1842г. два французских ученыхЖ. Б. Дюма и Ж. Буссенго дали яркую картину этих циклов. В 1850-х годах К. Бишоф,позже Ю. Либих и К. Мор перенесли эти представления на остальное вещество земнойкоры. Элементы, образующие циклы, характеризуются химическими соединениями, молекуламиили кристаллами. Эти циклы обратимы лишь в главной части атомов, часть же элементовнеизбежно и постоянно выходит из круговорота. Этот выход закономерен, т.е. круговойпроцесс не является вполне обратимым [30].
Среди форм такоговыхода из цикла особое значение имеет рассеяние элемента, его выход в форме свободныхатомов. Быть может, элемент этим путем выходит из цикла, иногда навсегда.
2.2 Биогеохимические круговоротыуглерода: ландшафтный, малый и биосферный
Биогеохимическийкруговорот углерода — это комбинация последовательных периодических (в течение суток– миллиардов лет) непрерывных замкнутых процессов превращения, перемещения, распределения,рассеяния и концентрации углерода через косную и органическую природу в биосферепри активном участии живых организмов. Биогеохимический круговорот углерода в биосферев целом и в конкретном ландшафте – из диоксида углерода в живое вещество и обратнов диоксид углерода – приводится в действие диалектическим единством двух противоположнонаправленных процессов – фотосинтеза и минерализации. Но часть углерода посредствоммедленно идущих циклических процессов удаляется, отлагаясь в осадочных породах.Баланс атмосферного углерода определяется биогеохимическими круговоротами, в каждомиз которых осуществляются приход и расход СО2 [20].
В ходе жизнедеятельностиорганизмов (в процессе дыхания) и при вулканических извержениях углерод возвращаетсяв атмосферу и гидросферу. Определенное количество его отлагается в литосфере и педосфереи расходуется на углекислотное выветривание алюмосиликатов и образование различныхуглеродистых соединений. При этом биологические компоненты ежегодного круговоротауглерода значительно превосходят геологические составляющие этого процесса.
В течение четырех лет растения суши иморя усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере, а в течение300 лет – в гидросфере. За время геологической истории углерод атмосферы и гидросферы,вероятно, многократно участвовал в круговоротах. Однако эти циклы (цикл – законченныйкруг миграции углерода в биогеохимических круговоротах) необратимы. Стоит заметить,что извлеченный из атмосферы углерод, и захороненный даже в виде карбонатов, неговоря уже о захороненной органике, извлекается из нее все же не навсегда. По прошествиинекоторого, часто очень значительного времени (до сотен миллионов лет и более),он возвращается обратно в атмосферу и участвует в дальнейшем круговороте.
Предположим, что в определенный периодвремени начинается интенсивное образование осадков, содержащих углерод (хоть образованиекарбонатов, хоть захоронение органики, хоть и то, и то, вместе), и через некотороевремя прекращается. Накопленные океанической корой большие запасы осадков постепеннов процессе субдукции попадают в недра, на большую глубину, где под действием оченьвысокой температуры происходит разложение этих больших запасов карбонатов и органики.В результате, по прошествии некоторого, довольно большого времени (которое требуется,чтобы часть плиты с высоким содержанием упомянутых осадков дошла до больших глубиндо сотни километров) увеличиваются потоки углекислого газа и метана в атмосферу.Однако увеличение потоков этих газов в атмосферу в свою очередь стимулирует и ростбиомассы (с последующим увеличением захоронения отмершей части), и накопление карбонатов,что приводит в дальнейшем к повторению цикла.
Цикл органическогоуглерода определяется реакциями фотосинтеза, ведущими к образованию первичной продукции(новообразование органического вещества растений продуцентов):
СО2+ Н2О = [СН2О] + О2
где [СН2О]– сокращенное обозначение биомассы, и суммарной реакцией деструкции:

[СН2О]+ О2 = СО2 + Н2О (дыхание).
Цикл органическогоуглерода сопряжен с циклом неорганического углерода путем углекислотного выщелачиванияизверженных пород и образования осадочных карбонатов по обратной реакции:
Са (НСО3)2↔ СаСО3 + СО2 + Н2О.
При этомкарбонатное равновесие или устанавливается химически, или катализируется ферментомкарбоангидразой. Углекислотное выветривание магматических пород привело к образованиюогромных запасов минерального углерода в виде известняков и доломитов.
Скоростьизменения массы углерода в атмосфере зависит от интенсивности изъятия его из воздушнойоболочки и консервации. Выведение СО2 из круговоротов происходит в результатепродукции органического вещества фотосинтезирующими растениями и связывания приобразовании карбонатных пород в результате процессов выветривания-почвообразования.В химическом отношении роль СО2 при выветривании сводится к вытеснениюиз силикатов и алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов и переводу ихв карбонаты. Например, образование каолинита из плагиоклазов, наиболее распространенныхсиликатных минералов литосферы, описывается реакциями альбит каолинит
2NaAlSi308 + 2СО2 + 3Н2О = Al2 [Si2O5] (OH)4 + 2NaHCO3+ 4SiO2,
анортит каолинит
СаА12SiO2О8 + 2СО2 + 3Н2О = Al2 [Si2O5] (OH)4 + Ca (HCO3)2.
Однако кромесиликатных пород углекислотному выветриванию подвержены также осадочные карбонатныепороды, взаимодействие которых с атмосферным СО2 идет по реакции
СаСО3+ СО2 + Н2O = Са (НСO3)2.
Связываниеатмосферного СО2 при выветривании происходит опосредованно через циклпродукции и деструкции органического вещества почв. В этом отношении почвенный покровявляется своеобразным химическим реактором, где идут процессы выветривания.
Преобладающаячасть атомов углерода земной коры сосредоточена в известняках и доломитах (минеральный,или неорганический углерод). Отношение захороненного углерода (103 ГтС)в продуктах фотосинтеза к углероду в карбонатных породах (107 ГтС) составляет1:4 [20]. Время, в течение которого происходило накопление углерода в литосфере,очень велико и сравнимо с временем существования биосферы.
Особое местов современных биогеохимических циклах углерода занимают сжигание горючих ископаемых(угля, нефти, газа и др.), обжиг известняка, лесные пожары, вырубка лесов, распашказемель и т.п., связанные с деятельностью человека. В результате в атмосферу возвращаетсяоколо 1,5 млрд. т углерода, т.е. примерно столько же, сколько его ежегодно связываетсяв ходе выветривания (образование СаСО3 и других минералов). Биогеохимическиекруговороты углерода протекают в пространстве и времени. По длительности (периодичности)и пространственному развитию можно выделить относительно короткие (часы – тысячилет) биогеохимические круговороты (малый и ландшафтный биогеохимические циклы углерода)и биогеохимический цикл, соизмеримый с геологической историей (большой биогеохимическийцикл углерода). В пространственном отношении первые протекают в широком спектреэкосистем (ландшафтов) разных уровней, второй – охватывает всю биосферу. Малый иландшафтный биогеохимические круговороты (циклы) углерода развиваются на фоне большогобиогеохимического круговорота (цикла) и являются его составной частью.
В биогеохимическихкруговоротах углерода особо важная роль принадлежит почве, поскольку она служитважнейшим накопителем органического вещества, представленного органическими остаткамии гумусом, которые служат одновременно и аккумулятором, и донором СО2.Педосфера, являясь одной из главных фаз биосферного круговорота, выполняет в отношенииуглерода следующие функции: резервуара для стока и трансформации атмосферного углерода,ассимилированного при фотосинтезе наземной растительностью; генератора и аккумулятораустойчивых соединений углерода в форме гумуса и карбонатов; генератора и источникаподвижных соединений и бикарбонатов в виде углеродосодержащих газов (прежде всегоСО2) и водорастворимых органических соединений и бикарбонатов.
Педогенныйуглерод, включаясь в воздушные и водные миграционные потоки, связывает биоту, атмосферу,гидросферу, литосферу в единый биосферный биогеохимический круговорот веществ.
Ландшафтный биогеохимический круговоротуглерода – миграция, распределение, рассеяние и концентрация углерода, осуществляющиесяна литологически однородном участке земной поверхности (части географической оболочкиЗемли) от элювиальных ландшафтов к супераквальным и субаквальным (аквальным), представляющемсложную биокосную систему, в которой почва, кора выветривания, континентальные отложения,грунтовые и поверхностные воды, растительность, животный мир, приземный слой атмосферытесно между собой связаны миграцией атомов углерода. Между компонентами ландшафтасуществуют радиальные, или вертикальные (между атмосферой, растительным и животныммиром, почвами, горными породами, подземными и поверхностными водами), и латеральные,или горизонтальные (между соседними геосистемами разных рангов), миграции углерода.
Природный ландшафтный биогеохимическийкруговорот углерода складывается из его абиогенной (физико-химической, механической)и биогенной (фотосинтез, разложение органического вещества и т.д.) миграции. Наданном типе круговорота акцентируется внимание при решении локальных и региональныхзадач, связанных с циклами и балансом углерода, при изучении элювиальных (автономных),трансэлювиальных (транзитных), супераквальных и субаквальных элементарных геохимическисопряженных ландшафтов. Вертикальная мощность ландшафта измеряется слоем, в которомнаиболее активно взаимодействуют все отдельные среды.
Малый биогеохимический круговорот углерода– динамическая геохимическая система превращения живого вещества, в которой происходитбеспрерывный круговорот углерода при участии растений, животных и микроорганизмов.В круговороте участвуют почва (педосфера), растительность и атмосфера, которые объединенымеханизмом прямой и обратной связи (почва ↔ растительность ↔ атмосфера).
Главные компоненты, обеспечивающие малыйбиогеохимический круговорот углерода (как и ландшафтный круговорот): продуценты(все зеленые растения, производящие органическое вещество из неорганических составляющих),консументы (все группы животных, паразитарные формы грибов, растения-паразиты) иредуценты (в первую очередь бактерии и грибы, превращающие органические остаткив неорганические вещества). Малый биогеохимический круговорот углерода проявляетсяв относительно коротком цикле (часы – сотни лет) и связан со сложным взаимодействиемхимических, биохимических и биологических процессов, которые контролируются сложнымкомплексом природно-экологических (биотой, климатом и т.д.) и антропогенных факторов.Малый биогеохимический круговорот углерода развивается на фоне биосферного биогеохимическогокруговорота и в экосистемах (биогеоценозах) протекает совместно с ландшафтным круговоротом,хотя и в разных формах, и с разной интенсивностью. Малый и ландшафтный биогеохимическиекруговороты углерода являются наземными круговоротами, так как они охватывают экосистемысуши.
Биосферный биогеохимический круговоротуглерода – непрекращающийся процесс миграции, распределения, рассеяния и концентрацииуглерода в системе «верхние слои литосферы – океан – нижняя часть атмосферы»,соизмеримый с геологической историей земной коры. Данный круговорот определяетсякак биологическими, так и геологическими процессами (тектонические поднятия, седиментогенез,вулканическая деятельность и др.), в своей совокупности осуществляющими обмен углеродамежду сушей, океаном и атмосферой. Круговорот углерода в биосфере состоит из двухразных циклов: наземного и морского, связанных через границу между океаном и атмосферой[20]. Круговорот, идущий в океане, в основном автономен. Диоксид углерода, растворенныйв морской воде, усваивается фитопланктоном, а кислород уходит в раствор. Зоопланктони рыбы потребляют углерод, фиксированный фитопланктоном, а кислород используют придыхании. В результате разложения органических веществ в воду возвращается СО2,усвоенный фитопланктоном. Ежегодное сжигание примерно 5 млрд. т горючих ископаемыхдолжно увеличить атмосферный запас СО2 на 0,7 %, т.е. к 320 млн.–1(современное содержание СО2) ежегодно должно прибавляться почти на 2млн.–4. На деле же за год концентрация СО2 в воздухе быстроуходит из атмосферы или в океан, или в наземную флору. Биосферный круговорот углеродасостоит из двух разных циклов – наземного и морского (океанического).
Распределение СО2 между органическимвеществом почвы, растительностью, атмосферой и океаном играет важную роль в формированиитеплового баланса планеты, который зависит как от природных (фотосинтез растений,дыхание корней, животных и микроорганизмов, обменная диффузия на поверхности океана,метаморфизация органических материалов, поступление СО2 из глубин земнойкоры), так и от антропогенно-техногенных (обработка земли, выжигание растительности,сгорание топлива) процессов. Деятельность человека приводит к дополнительному накоплениюуглерода в атмосфере, которое катализирует парниковый эффект, что может привестик планетарному потеплению климата.
Годовой уровень обмена углерода междуповерхностью Земли и атмосферой составляет 225 ГтС/год, что примерно в 30 раз превышаетколичество СО2, связанного с антропогенными выбросами. Около 80 % (или60 % СО2 суши) пула углерода сосредоточено в северной циркумполярнойобласти (тундра, тайга, леса, луга), тропических и субтропических лесах. В бореальныхлесах, 2/3 которых сосредоточены в России, содержится более 40 % СО2суши. Три четверти запасов углерода циркумполярного Севера сосредоточены в лесныхрегионах, составляющих более 1500 млн. га суши (10 % поверхности Земли). Основнаячасть этого пула находится в виде отмершего органического вещества в поверхностномслое торфяных и лесных почв. По отношению к массе углерода коэффициенты фоссилизацииорганического углерода составляют: в глубоководных частях океана – 0,06 %, на шельфе– около 1%, в озерах на континентах (в виде сапропеля) – 3,5%, в болотах – 8,6 %.Содержание органического углерода в детрите и гумусе педосферы достигает 2104* 1012кгС, что в 2,9 раза превышает его массу в атмосфере (728 *1012 кгС) ив 3,8 раза выше, чем в биомассе наземной растительности (560* 1012 кгС).Океан поглощает более 4 ГтС/год, из них более 2 ГтС/год приходится на долю биотыокеана.
углерод круговорот климатпарниковый

Выводы по II главе
Углерод участвует в глобальномкруговороте. Живые организмы в той или иной мере фиксируют его, и он намиллионы лет оседает в земной коре в связанном состоянии в виде горных пород,ископаемых топлив — каменного угля, нефти, органических газов. Постояннодействующий конвейер вещества планеты увлекает углерод на различные глубины,где он в результате метаморфоза принимает самые разнообразные формы и в итогерассеивается по всей земной коре.
Указанные типы биогеохимических круговоротовуглерода во многом принципиально сходны. Они связаны между собой механизмами переносауглерода в пределах биосферы, которые совершаются с использованием солнечной энергиии энергии химических реакций. Различия заключаются в основном в масштабах, темпахи сроках завершения цикла. Биосферный биогеохимический круговорот протекает несопоставимомедленнее, чем ландшафтный и малый круговороты. Два последних направлены главнымобразом на аккумуляцию и удержание углерода в экосистемах (биогеоценозах). Любоенарушение почвенного покрова приводит к потере органического углерода, что порождаетглубокие изменения в сложившихся биогеохимических потоках углерода в геосферах.
Потери органического углерода вызваныобработкой земли, лесными пожарами, рубками леса, гибелью лесов в результате болезнейи инвазии насекомых, а также промышленными загрязнениями. По масштабам воздействияна углеродный бюджет лесных экосистем Европейской России основная роль принадлежитрубкам, а в Азиатской России – лесным пожарам, вредным насекомым и болезням. Размерыпулов СО2 в лесах России и масштабы его годичного депонирования в ближайшиеодин — два десятилетия будут определяться двумя основными факторами – лесными пожарамии промышленными рубками. Повышение продуктивности и улучшение структуры («омоложение»)лесов, расширение площадей покрытых лесом земель приведут к увеличению депонированияуглерода лесной растительностью, что важно для сбалансированности биогеохимическихкруговоротов СО2.

Глава III. Влияние круговорота углерода на глобальный климат
3.1 Концентрация углеродав системе «литосфера-гидросфера атмосфера»
Больше всего углерода сконцентрированов карбонатных горных породах — известняке CaCO3 и доломите СаСО3*MgCO3. Однако, содержащийся в них углерод практически выводится из круговорота.
Основное связующее звено в круговоротеэтого элемента — атмосфера, поскольку углерод в ней содержится в наиболее подвижнойформе — в виде оксида углерода IV.
Поскольку оксид углерода растворим в воде,атмосфера может обмениваться с океаном. По запасам углерода океан значительно превосходитвоздушную оболочку. Однако углерод не превращается в биомассу из-за нехватки тамдругих жизненно важных элементов — азота и фосфора. Тем не менее океан поддерживаетконцентрацию СО2 в атмосфере более или менее постоянной, забирая СО2, если его становиться больше, и отдавая — если его количество уменьшается. Согласноимеющимся данным наблюдений [25, с.15], в настоящее время как Мировой океан, таки суша являются глобальными стоками СО2, причем в океане это обусловленохимическими и биологическими процессами, тогда как на суше связано с усилением «фертилизации»растительности за счет возрастающей концентрации СО2 и азота, а такжес изменениями землепользования.
СО2 не вымораживается при понижениитемпературы, и продолжает создавать парниковый эффект даже при самых низких температурах,возможных в земных условиях. Вероятно, именно благодаря постепенному накоплениюуглекислого газа в атмосфере, вследствие вулканической деятельности, Земля смоглавыйти из состояния мощнейших оледенений (когда даже на экватор был покрыт мощнейшимслоем льда) в начале и конце протерозоя.
Углекислый газвовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера,и изменение земного климата связывают, прежде всего, с изменением баланса его поступленияв атмосферу и выведения из нее.
Большие потокинаблюдаются в системах океан (вместе с обитающими там организмами) – атмосфера,и наземная биота – атмосфера. В океан ежегодно поступает из атмосферы около 92 Гтуглерода и 90 Гт возвращается обратно в атмосферу [31]. Таким образом, океаном ежегодно дополнительно изымается из атмосферыоколо 2 Гт углерода. В то же время в процессах дыхания и разложения наземных умершихживых существ в атмосферу поступает около 100 Гт углерода в год. В процессах фотосинтезаназемной растительностью изымается из атмосферы тоже около 100 Гт углерода [31].Как мы видим, механизм поступления и изъятия углерода из атмосферы достаточно сбалансирован,обеспечивая приблизительно равные потоки. Современная жизнедеятельность человекавключает в этот механизм все увеличивающийся дополнительный поток углерода в атмосферуза счет сжигания горючих ископаемых (нефть, газ, уголь и пр.). Также поток углеродав атмосферу увеличивается и за счет вырубки и частичного сжигания лесов, при этомприрост биомассы, способствующий поглощению СО2 составляет всего около0,2 Гт в год вместо почти 2 Гт в год. Даже учитывая возможность поглощения около2 Гт дополнительного углерода океаном, все равно остается довольно значимый дополнительныйпоток (к настоящему времени около 6 Гт в год), увеличивающий содержание углекислогогаза в атмосфере. Кроме того, поглощение углекислого газа океаном уже в ближайшембудущем может уменьшиться, и даже возможен обратный процесс – выделение углекислогогаза из Мирового океана. Это связано с понижением растворимости углекислого газапри повышении температуры воды – так, например, при повышении температуры воды всегос 5 до 10 °С, коэффициент растворимости углекислого газа в ней уменьшается приблизительнос 1,4 до 1,2.
Итак, поток углекислого газа в атмосферу,вызываемый хозяйственной деятельностью не велик по сравнению с некоторыми естественнымипотоками, однако его нескомпенсированность приводит к постепенному накоплению СО2в атмосфере, что разрушает баланс поступления и изъятия СО2, складывавшийсяза миллиарды лет эволюции Земли и жизни на ней.
За период с 1750 г. по настоящее времяконцентрация СО2 в атмосфере возросла примерно на одну треть, достигнувсамого высокого уровня за последние 420 тыс. лет, о чем свидетельствуют данные ледяныхкернов.
Примерно на две трети рост концентрацииСО2 за последние 20 лет обусловлен выбросами в атмосферу за счет сжиганияископаемых топлив (остальное приходится на долю вкладов от сведения лесов и в меньшейстепени цементной промышленности). На рис. 2 показан рост концентрации углекислогогаза в атмосфере за последнее тысячелетие. В процессе сжигания топлива в топкахэлектростанций и двигателях внутреннего сгорания в атмосферу выбрасывается огромноеколичество СО2 – в пересчете на углерод 6 гигатонн в год, что составляетвполне значимую величину по сравнению с естественным кругооборотом углерода (160Гт/год), обусловленным массообменом атмосферы с океаном и биосферой.
Приведенные на рис.2 данные неопровержимосвидетельствуют о том, что за последние 200 лет концентрация СО2 вырослана 30% по сравнению с доиндустриальным уровнем. В соответствии с многочисленнымипрогнозами если не принимать никаких мер, то к середине ХХI века вследствие дальнейшего развития энергетики, транспорта ипромышленности произойдет удвоение концентрации СО2 в атмосфере по сравнениюс 1800 годом.

/>
Рис.2 Изменение концентрации СО2в атмосфере Земли в течение последних 1000 лет
Еще одним компонентомуглеродного цикла является метан, содержание которого в атмосфере оценивается как1,8 ppm (parts per million, частей на миллион). Основные места образования метана— это сильноувлажненные территории, залежи углеводородов, включая газогидраты,.
Ранее считалось, что потокметана из недр Земли невелик, и его практически не учитывали. Однако некоторые современныеоценки поступления метана от дегазации недр, основанные на анализе содержания различныхизотопов углерода, входящего в состав метана, дают уже весьма значимые цифры около0,2 Гт в год, и даже более [10].
Поток метана ватмосферу может значительно увеличиться при разрушении метангидратов, обнаруженныхв последние десятилетия в вечной мерзлоте и в глубинах Мирового океана. Метангидраты– это фактически тот же лед, в котором в каркасах молекул воды за счет действияван-дер-ваальсовских сил присутствуют еще молекулы метана (химическое взаимодействиеотсутствует). Значительная часть метангидратов находится в метастабильном состояниии подвергается опасности разложения при небольшом повышении температуры (порядкаодного-нескольких градусов).
Кроме того, метан высачивается на днеокеана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработкахи при сжигании лесов.
Судя по анализу пузырьковвоздуха, запечатанных во льдах Антарктиды, содержание метана за последние 400 тысячлет демонстрировало колебания, практически совпадающие с колебаниями содержания углекислого газа (СО2) и изменениями температуры, хотя механизмы образования этих газов, так же какмеханизмы изъятия их из атмосферы, совершенно разные. Рост концентрации метана в атмосфере вызывает немалое беспокойство.За последние два столетия она возросла в два раза, в то время как углекислого газа— только на четверть. В 1970-80-е годы рост метана был особенно заметен, но в последнеедесятилетие ХХ века он, по не очень понятным причинам, резко замедлился. Основная причина межгодовых различий в поступлении метана — этоизменение состояния болот. Похолодание ведет к ослаблению эмиссии метана, но и сильнаяжара также не способствует его накоплению, так как многие болота просто высыхают.
3.2 Изменение содержания углеродав атмосфере в разные геологические периоды
В атмосфере в настоящее времясодержится около 7,5х102 Гт углерода. Небольшим содержание СО2в атмосфере было далеко не всегда – так в архее (около 3,5 млрд. лет назад) атмосферасостояла почти на 85-90% из углекислого газа, при существенно большем давлении итемпературе [36].
Благодаря выделениюрадиогенного тепла, которое было в архее мощнее нынешнего (а также тепла из другихисточников), и низкой теплопроводности пород, что позволяло накапливаться тепловойэнергии, постепенно разогревались недра, и около 4 млрд. лет назад началось частичноеплавление пород в них. Начала происходить сильная дегазация пород и формированиемощной атмосферы, состоящей из азота, углекислого газа, паров воды, метана, водорода,аммиака и других газов. Эта атмосфера обладала уже очень мощным парниковым эффектом,однако, к счастью, получилось так, что он был все же недостаточным, чтобы оказатьсянеобратимым.
Однако поступлениезначительных масс воды на поверхность Земли в результате дегазации недр, а такжевозникновение жизни обеспечило связывание почти всего атмосферного и значительнойчасти растворенного в воде углекислого газа в виде карбонатов (в литосфере хранитсяоколо 5,5х107 Гт углерода [36]). Также углекислый газ стал преобразовыватьсяживыми организмами в различные формы горючих полезных ископаемых.
Более прохладныйклимат протерозоя по сравнению с архейским, вероятно, обуславливался значительноменьшим содержанием углекислого газа в атмосфере на протяжении этого времени. Впротерозое еще практически отсутствовала кислородная атмосфера и не работали процессыокисления углерода, возвращающие обратно в атмосферу углекислый газ, поглощенныйбиотой. Его содержание в атмосфере определялось балансом как поступления в атмосферублагодаря вулканической деятельности, так и вывода из атмосферы процессами продолжающейсягидратации силикатов (хотя и вновь сильно замедлившимися к середине протерозоя,после формирования серпентинитового слоя), и процессами захоронения органики в бескислородныхусловиях.
В конце протерозоя, в период приблизительно900-600 млн. лет назад, на Земле прошла череда сильнейших оледенений, подобных оледенениямначала протерозоя, по мощности которым в дальнейшем уже не было равных. Ледянойпокров достигал в это время даже экватора. Эту серию оледенений связывают с тем,что приблизительно в то же время наблюдалось наиболее интенсивное в истории Землизахоронение неокисленной органики, что очевидно, значительно уменьшало содержаниеуглекислого газа в атмосфере и парниковый эффект в ней.
Когда, в результатеинтенсивного извлечения углекислого газа из атмосферы, происходило падение парниковогоэффекта, и наступало мощное оледенение. Ледяной покров и низкие температуры сильноугнетали фотосинтез, приводили к отмиранию значительной части биомассы, извлечениеуглекислоты из атмосферы сильно замедлялось.
Вследствие действияперечисленных факторов происходило накопление углекислого газа в атмосфере благодарявулканической деятельности (скорость вывода его биотой в такие периоды была мала),а также возвращение его в атмосферу от окислившейся органики. В свою очередь, происходившеепотепление снижало растворимость углекислого газа в воде и приводило к его переходув атмосферу, что еще более увеличивало парниковый эффект. Вероятно, содержание углекислогогаза в атмосфере в теплые периоды верхнего протерозоя могло превышать современноев триста раз.
Итак, оледенение отступало. До тех пор,пока расплодившаяся биота опять не выводила почти все запасы углекислого газа изатмосферы, и цикл начинался опять.
Вероятно, в результате этого и возникалив палеозойскую эру несколько оледенений. Это оледенение пермо-карбоновое (350-230млн. лет назад), начавшегося в каменноугольном периоде, а также оледенения на границеверхнего ордовика — нижнего силура (460-420 млн. лет назад), и оледенение верхнегодевона (370-355 млн. лет назад).
Такие оледенения, продолжавшиеся несколькомиллионов (а то и десятков миллионов) лет, чередовались с теплыми периодами, и продолжалисьэти колебания до тех пор, пока не сформировались биологические механизмы, усилившиеи сделавшие более стабильным приток кислорода в глубинные слои, что обеспечило возвращениепочти всего извлекаемого из атмосферы углекислого газа обратно [36].
По окончании пермо-карбонового оледенения,с наступлением мезозойской эры, на планете установился очень теплый климат, с полнымотсутствием полярных ледяных шапок. Теплый климат на протяжении почти всего мезозоя,со средними температурами на 10-15°С, превышающими современные, вероятно обеспечивалодовольно высокое содержание парниковых газов в атмосфере, появившееся после мощнойвулканической активности и сильнейшего вымирания на границе палеозоя и мезозоя,и поддерживавшееся на приблизительно том же уровне и далее, до конца мезозоя. Вмеловом периоде, например, концентрация углекислого газа в атмосфере была выше в6-10 раз современной [36].
Одной из причин, по которой в большейчасти мезозоя сохранялось высокое содержание углекислого газа в атмосфере, вероятно,было совершенствование круговорота углерода, обеспечившее более эффективный возвратего в атмосферу. Кстати, за время накопления всех каустобиолитов (уголь, нефть ипр.) в фанерозое, примерно 40% созданных запасов приходится на палеозой, 50% накайнозой, и только 10% на мезозой [36].
Содержание углекислого газа в атмосферев начале кайнозоя (палеоцен-эоцен) было приблизительно в пять раз выше современного.Средние температуры тогда были выше современных приблизительно на 8°С. Даже в Северномморе в палеоцене температура поверхностных вод составляла около 17-18°С, увеличившисьв эоцене до 22-23 °С [36].
Стоит отметитьпродолжавшееся снижение парникового эффекта – так содержание углекислого газа в атмосфере уже в раннем миоцене(около 20 млн. лет назад) понизилось по сравнению с палеоценом и эоценом приблизительновдвое (до 0,09% с 0,16%), и составляло одну треть от своего содержания в атмосферево время мелового периода (около 0,27%) [36].
Итак, содержаниеуглекислого газа, накопленного в результате мощной дегазации пород в атмосфере вовремена архея (когда он являлся основным газом земной атмосферы, приблизительнона порядок более плотной нежели сейчас), в ходе всей последующей эволюции планетыпостепенно снижалось, что уменьшало парниковый эффект, который во времена археяподнимал температуру поверхности Земли приблизительно на пару сотен градусов вышетемпературы лучистого равновесия для того времени. Правда, на эту долговременную,в миллиарды лет, тенденцию накладывались довольно значимые колебания – стоит вспомнитьи великие оледенения начала и конца протерозоя, и теплую обстановку мезозойскойэры.
Конечно, мощный парниковый эффект архейскойатмосферы определялся отнюдь не одним углекислым газом, огромную роль играли и большиезапасы накопленных в атмосфере паров воды. Но при этом, так как, по всей видимости,в архее условия на поверхности планеты все же позволяли существовать воде в жидкомсостоянии, далеко не вся выделявшаяся при дегазации недр вода оставалась в атмосфере,значительная часть ее конденсировалась и выпадала на поверхность. Концентрация водяныхпаров в атмосфере по мере выведения углекислого газа из нее должна была снижатьсятоже – снижение содержания углекислого газа приводило к некоторому остыванию атмосферы,что в свою очередь приводило к дополнительной конденсации водяных паров в ней ик дальнейшему понижению парникового эффекта. А переход дополнительно части парообразнойводы в жидкое состояние из-за понижения температуры, в свою очередь способствовалдальнейшему выведению углекислого газа из атмосферы (механизмы чего были описаныранее).
Вообще, пожалуй стоит признать крайневажную роль углекислого газа если не в формировании абсолютной величины парниковогоэффекта на Земле (как мы видели в самом начале, сейчас основной вклад в парниковыйэффект вносят прежде всего водяные пары), то в его изменении. Можно сказать, чтофактически изменение содержания углекислого газа в атмосфере модулирует содержаниедругого основного парникового газа – водяного пара. Это связано с высокой чувствительностьюсодержания водяных паров в атмосфере к изменениям температуры окружающей среды,и переходом воды из состояния пара в жидкую и твердую фазу, с дальнейшим удалениемиз атмосферы в виде осадков. Углекислый же газ, с его весьма низкой точкой замерзания,при всех известных колебаниях температуры на Земле не переходил в другие фазовыесостояния. К примеру, во времена великих оледенений протерозоя, когда содержаниеводяных паров в атмосфере было ничтожно мало, именно накопление углекислого газав атмосфере в результате вулканической деятельности привело к разогреву поверхностии таянию мощнейшего ледяного панциря.
Не стоит, конечно, забывать и о другойобратной связи – о влиянии содержания водяных паров в атмосфере и парникового эффектаот них, на содержание в атмосфере углекислого газа. Но данное влияние проявляетсятолько в температурных границах существования жидкой воды – речь, прежде всего,идет о свойстве растворимости углекислого газа в воде.
Однако параллельно очень медленному постепенномуснижению парникового эффекта изменялся и другой фактор, определяющий термическийрежим поверхности планеты – постепенно росла светимость Солнца (приблизительно на30% за период от момента образования Земли по сегодняшний день), что увеличивалоприток энергии к Земле. В результате, эти процессы частично друг друга компенсировалив формировании температурного режима Земли. Если бы этого не происходило, сейчасна поверхности планеты было бы либо чрезвычайно холодно (в случае неизменности светимостиСолнца при постепенном снижении содержания углекислого газа в атмосфере), либо чрезвычайножарко (в случае неизменного содержания углекислого газа в атмосфере при постепенномросте светимости Солнца). Например, увеличение нынешней светимости Солнца на 40%,при неизменном содержании парниковых газов должно поднять температуру на поверхностидо точки кипения воды и привести к испарению океанов [36].
Древняя атмосфера во льду.
Когда фирн превращается в лед, атмосферныйвоздух замыкается в пузырьках. Поэтому, выделяя его из керна, можно узнать о прошломсоставе атмосферы, и в частности о содержании парниковых газов. Современная техникаанализов позволяет извлекать изо льда и измерять с большой точностью ряд газовыхпримесей, прежде всего углекислый газ и метан.
Анализ кернов из глубоких скважин показал,что в максимуме валдайского оледенения концентрация СO2 была на 25 % ниже, чем в голоцене (190—200 и 260— 280 ppm) [37].Очевидно, первый уровень типичен для эпох оледенения, а второй — для теплых интервалов.
По кернам со станции Восток выявлено соответствиеизменений концентрации СO2 и температур, вычисленных по изотопнымданным. Это первое прямое доказательство тесной связи содержания углекислого газав атмосфере и изменений климата на протяжении всего климатического цикла. Однакоспад концентрации СО2 около 110 тыс. лет назад был не такимрезким, как снижение температуры. Любопытно также, что если при переходе от ледниковойэпохи к межледниковью содержание СО2 и температураменяются синхронно, то при обратном переходе (например, 115 и 75 тыс. лет назад)концентрация углекислого газа уменьшается позднее, чем снижается температура.
Подобная корреляция изменений температурыи содержания СО2 на протяжении всего ледниково-межледникового цикла, очевидно, свидетельствуето наличии причинно-следственной связи. Однако где здесь причина, а где следствие,из этих данных не вытекает. Многие специалисты считают причиной изменение концентрацииуглекислого газа, но отмеченное запаздывание ее изменений как будто свидетельствуето первичности изменений температуры, за которыми следуют изменения СО2, в свою очередьусиливающие температурные колебания [37].
Такой опережающий ход температур создаетпроблему оценки первичной роли парниковых газов в потеплении климата.

/>
Рис.3 Содержаниепарниковых газов в керне со станции Восток
Содержание другого углеродного соединения— метана — в древней атмосфере также тесно связано с ходом палеотемператур. Резкиеизменения концентрации метана приходятся на оба ледниково-межледниковых перехода:150—135 тыс. и 18—9 тыс. лет назад. В эти периоды она резко возрастала (от 0,35ppm в разгар оледенения до 0,6—0,7 ppm в межледниковые оптимумы). Для валдайскойледниковой эпохи характерны четыре максимума содержания СН4 во время относительно теплых интервалов, что не так заметно входе изменений CO2.
А так же анализ ледяного керна позволилвыявить способность климата к неожиданно резким, внезапным колебаниям. Судя по графикам,весь сдвиг на границе плейстоцена и голоцена занял лишь тысячу лет. А окончаниепоследней холодной стадии, приуроченной к этой границе, произошло менее чем за 20лет (метановая осцилляция).

3.3 Парниковые газы и атмосферныеаэрозоли и климат
Водяные пары, углекислый газ,метан и некоторые другие, содержащиеся в атмосфере газы, поглощают инфракрасноетепловое излучение с поверхности Земли, нагреваемой солнечным светом. В результатепроисходит разогрев атмосферы, который называют «парниковым эффектом». Не следуетдумать, что это какое-то новое, не наблюдавшееся раньше явление. Он действует наЗемле с тех пор, как появилась атмосфера. Без парникового эффекта средняя температураповерхности Земли была бы ниже 0°С. Но об этом ниже. Пока же поговорим еще непосредственноо парниковых газах.
Самым главным парниковым газом в земнойатмосфере на сегодняшний день является водяной пар, что связано с высоким содержаниемего в атмосфере и наличием у него широких и мощных полос поглощения в инфракраснойобласти спектра. Кроме того, у водяного пара присутствуют и полосы поглощения вближней инфракрасной области спектра и даже в красной области видимого спектра (т.е.захватывается и крайняя часть спектра солнечного излучения), однако эти последниеполосы довольно слабы. Вклад водяного пара в общий парниковый эффект составляетныне около 20,6 °С.
Второй по вкладу в общий парниковый эффектсейчас – это углекислый газ. Его вклад составляет сейчас около 7,2 °С [25]. Однако,как раз на содержание этого газа в атмосфере человечество влияет непосредственнои очень сильно, и современное повышение температуры обусловлено, прежде всего, повышениемименно его концентрации в атмосфере. За последние два с половиной столетия (т.е.с начала индустриальной эпохи) его содержание в атмосфере выросло приблизительнона 30%, причем наиболее интенсивно этот рост происходит в последние десятилетия,что вполне понятно – интенсивно растет потребление энергии человечеством, большуючасть которой дает сжигание угля и углеводородов. Как и другие парниковые газы,кроме водяного пара, двуокись углерода не вымораживается при низких температурах,и продолжает оказывать влияние на парниковый эффект постоянно на больших высотах,и в высоких широтах. Особенно важно это было во времена глобальных оледенений, происходившихв истории Земли.
Еще один парниковый газ – озон, которыйвзаимодействует как с ультрафиолетовым, так и с инфракрасным излучением. Его вкладв парниковый эффект составляет сейчас около 2,4 °С. Однако благодаря человеческойдеятельности его содержание в атмосфере, в общем, понизилось за последние десятилетия(в стратосфере заметно понизилось, но в тропосфере повысилось), благодаря чему егопарниковый эффект оказался ниже, чем мог бы быть, на несколько десятых долей градуса.Несмотря на весьма малое содержание озона в атмосфере, его способность поглощатьинфракрасное излучение намного выше, чем у углекислого газа, что объясняет стользначимый вклад в общий парниковый эффект. Однако озон поглощает и ультрафиолетовоеизлучение, что снижает приток энергии от Солнца к земной поверхности, поэтому влияниеозона на баланс рассматриваемых потоков энергии довольно неоднозначно.
Закись азота дает сейчас около 1,4 °С в общий парниковыйэффект [25]. Ее концентрация тоже растет благодаря человеческой деятельности (засчет сжигания различных отходов прежде всего), но не столь быстро, как у углекислогогаза. Как и у озона, способность поглощать инфракрасное излучение у закиси азотазначительно выше, чем у углекислого газа (в 310 раз), что объясняет ее заметныйвклад в парниковый эффект при значительно меньших концентрациях в атмосфере.
Однако наиболее пристальное внимание стоитобратить на метан, хотя пока еще его вклад в общий парниковый эффект составляетоколо 0,8 °С [25]. Его способность поглощать инфракрасное излучение больше чем ууглекислого газа в 21 раз (на единицу массы). При этом его концентрация растет оченьбыстро – с начала индустриальной эпохи она выросла на 150% (причем в основном впоследние десятилетия).
Удельное поглощение земного инфракрасногоизлучения очень велико и у фреонов – в 3 – 13 тыс. раз выше, чем у углекислого газатой же массы. Однако содержание фреонов в атмосфере еще очень мало для мощного парниковогоэффекта, и навряд ли вырастет сильно в ближайшем будущем – природных источниковфреонов не существует, все производство и выделение их в атмосферу обусловлено толькочеловеческим фактором, потребности же в них вырастут в обозримом будущем довольнонезначительно. К тому же сейчас происходит замена использовавшихся типов фреоновна новые, которые обладают значительно меньшим временем жизни в атмосфере и будутдовольно быстро из нее выводиться, практически не накапливаясь.
Кроме парниковыхгазов, на баланс потоков энергии, проходящих через атмосферу, серьезно влияют иатмосферные аэрозоли, которые, несмотря на небольшое свое содержание в атмосфере(всего около 60 млн. тонн [25]), довольно сильно влияют на ее оптические свойства.Солнечное излучение, проходя через атмосферу к поверхности, испытывает рассеяниена частицах аэрозолей и молекулах газов, что ослабляет доходящий до поверхностипоток и возвращает часть его назад в космос.
Частички сажив атмосфере тоже относят к аэрозолям. Находясь на разных высотах, они по-разномувлияют на радиационный баланс поверхности Земли. Они интенсивно поглощают излучениенепрерывного спектра в широкой области (и видимой, и инфракрасной), в дальнейшемпереизлучая его в инфракрасной области. Находясь, в нижних слоях атмосферы и выпадаяна поверхность, они способствуют их разогреву, а вот находясь в верхних слоях атмосферы,они, фактически, преграждают путь части солнечной радиации. Знаменитые расчеты «ядернойзимы» как раз и основаны на предположении, что в результате военного столкновениябольшие массы сажевых частиц попадут в верхние слои атмосферы.
Следует заметить, что антипарниковый эффектотнюдь не уменьшает действие парникового эффекта так сильно, как это можно былобы подумать. Парниковый эффект действует в любое время суток, а антипарниковый эффекттолько днем. К тому же парниковый эффект достаточно равномерно распределен по земномушару. А антипарниковый эффект от промышленных выбросов сульфатных аэрозолей привязанв основном к северному полушарию – мировая промышленность, основная часть которойсосредоточена именно в северном полушарии, выбрасывает аэрозоли в тропосферу, авремя жизни их в тропосфере невелико (порядка недели, а то и меньше), и достигнутьдругого полушария они часто не успевают.
3.4 Парниковый эффект и климат
Парниковым эффектом атмосферы называетсяразность между средней температурой поверхности планеты и ее радиационной (эффективной)температурой. Средняя температура по всей Земле в целом приблизительно равна +15°С,а ее эффективная температура-18°С, следовательно, парниковый эффект на Земле сейчасравен +33°С [33 с.6]. Вполне очевидно, что такой слабый парниковыйэффект только лишь создает благоприятные условия жизни на Земле. Но повышение парниковогоэффекта может быть уже не столь благоприятно, и существенно отразится на человечествеуже при потеплении всего на несколько градусов. А в условиях небывало быстрого потепления,происходящего сейчас, вполне реальна ситуация, когда компенсационные механизмы,существующие в климатической системе, окажутся неспособными предотвратить дальнейшееусиление парникового эффекта. В этом случае положительные обратные связи между повышениемтемпературы и повышением содержания парниковых газов в атмосфере могут привестик потеплению уже на десятки, и даже сотни градусов.
Суть парникового эффекта состоитв том, что безоблачная атмосфера подобно стеклу (полиэтилену) в парниках довольнослабо задерживает солнечную радиацию и в значительной степени поглощает длинноволновое(инфракрасное) излучение земной поверхности, способствуя тем самым сохранению теплав атмосфере. Полиэтилен поглощает как длинноволновую, так и коротковолновую радиацию.В атмосфере полной аналогии этому явлению не наблюдается, тем не менее, понятие«парниковый эффект» прочно вошло в мировую литературу. Этот термин связанс геоэкологическими проблемами и, в первую очередь, с глобальными изменениями природнойсреды и климата.
Средняя температура у земной поверхностиопределяется интенсивностью солнечной радиации, приходящей на Землю. Количествосолнечной радиации, отражаемой обратно в космос, зависит от облачности, составаатмосферных золей и альбедо земной поверхности, которое в свою очередь определяетсярастительностью, влажностью почвы, снежным покровом и количеством излучения атмосферы,поступающего к земной поверхности. Последняя величина зависит от содержания парниковыхгазов, которые в основном прозрачны для солнечной радиации, но поглощают тепловоеизлучение земной поверхности и нижних слоев атмосферы. Нагревающаяся атмосфера излучаеттепло, что приводит к дополнительному нагреванию земной поверхности.
Дополнительное поступление парниковыхгазов (особенно СО2) от антропогенных источников нарушает природный углеродныйбаланс в атмосфере (в атмосферу ежегодно выделяется примерно 140 млрд. т СО2)и катализирует парниковый эффект. При этом в атмосфере остается только 35–45 % СО2,образующегося при сжигании топлива, остальная часть углекислого газа поглощаетсяокеаном (главным образом, его холодными участками) и растительностью (с увеличениемконцентрации СО2 в атмосфере активнее идет процесс фотосинтеза).
По мнению многих ученых, в XX в. содержание СО2 в воздухе нижней части атмосферыувеличилось с 0,028 % в 1956 г. до 0,034 % в 1985 г. Предполагается, что к началуXXI столетия среднеглобальная температураприземного слоя воздуха увеличится на 1–2°С по сравнению с доиндустриальным периодом,а к 2025 г. – на 2–3 °С. Рост концентрации антропогенных парниковых газов в атмосфереи связанное с ним возможное планетарное потепление климата отмечают многие исследователи.По данным зарубежных исследователей, в конце XXI в. дополнительное накопление СО2 в воздухе приведетк повышению планетарной температуры на 3 °С, при этом повышение температурного режимапо широте (от экватора к полюсам) может составить 7–8 °С в средних широтах и 12°С на полюсах. Это приведет к аридизации климата и расширению площадей засушливыхобластей.
Справедливости ради, надо отметить, чтоне все ученые едины в своих оценках влияния техногенной эмиссии СО2 наклимат Земли [32, с.41]. Некоторые специалисты полагают, что наблюдавшиеся и ранееколебания температуры земной поверхности связаны с естественными природными причинами,такими, как периодическое изменение светимости Солнца, вулканические извержения,явление Эль-Ниньо, процессы в биосфере.
По данным МГЭИК повышениетемпературы при удвоении концентрации парниковых газов находится в пределах 1,5-4,5°С [18].
Но, по мнению акад. КондратьеваК.Я. и его сотрудников, существует много неопределенностей, связанных с ролью парниковыхгазов в потеплении климата. Общие оценки выбросов углерода за счет сжигания ископаемыхтоплив, вырубки лесов, изменения землепользования без их количественной привязкик человеческому фактору не дают возможности адекватно моделировать круговорот антропогенныхвыбросов углерода [18].
Они считают, что в ХХI веке вклад антропогенного вмешательства в потепление может бытьвесьма скромным – не более 0,5-0,6°С.
А также нет убедительногоответа на вопрос, почему инструментальные данные не подтверждают основополагающийвывод МГЭИК о более существенном потеплении полярных регионов. Эти расхождения междуреальными и модельными данными не являются малозначимыми.
Несомненно, зависимость междутемпературой и количеством парниковых газов существует. Но возникает вопрос: «Чтопервично?» Повышение температуры или же увеличение антропогенных выбросов СО2.
Возможно, на данном этапепроисходит тепловое загрязнение [27]. То есть выделение большого количества теплачеловеком повышает глобальную температуру атмосферы, тем самым, увеличивая концентрациюсвободного углерода за счет выделения его из океана.
По мнению академика РАЕН О.Г.Сорохтина,насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения,всегда приводит не к повышению, как это принято думать, а только к понижению и парниковогоэффекта, и средней поверхностной температуры планеты [33].
Объясняются эти, казалось бы, парадоксальные,результаты тем, что вынос тепла из тропосферы в основном происходит благодаря конвекции,а главными факторами в этом процессе, определяющими температурный режим тропосферы,являются давление атмосферы и ее эффективная теплоемкость. Действительно, нагретыеза счет поглощения инфракрасного (теплового) излучения объемы воздуха расширяются,становятся легче окружающих воздушных масс и поэтому быстро поднимаются вверх, вплотьдо низов стратосферы, где они и теряют избытки своего тепла в результате радиационногоизлучения. Таким образом, насыщение атмосферы углекислым газом может привести толькок ускорению конвективного массообмена в тропосфере, но не к изменению ее температурногорежима. Из-за большей плотности углекислого газа по сравнению с земным воздухом,углекислотная атмосфера оказывается более тонкой и, подобно тонкому одеялу, хужесохраняет тепло на поверхности планеты по сравнению с более толстым «пуховым» одеяломазотно-кислородной атмосферы, обладающим к тому же и большей теплоемкостью.
Из приведенных оценок, по мнению О.Г.Сорохтина[33], следует важный практический вывод, что даже значительные выбросы техногенногоуглекислого газа в земную атмосферу фактически не меняют осредненных показателейтеплового режима Земли и парникового эффекта атмосферы. Если же глобальный климатЗемли в настоящее время все-таки действительно испытывает заметное потепление, то,скорее всего, это окажется временным явлением, и причину ему надо искать в другихпроцессах и явлениях. Например: в неравномерности солнечного излучения, в прецессиисобственного вращения Земли, в неустойчивости океанических течений или в измененияхих циркуляции, вызванных другими причинами.
Однако даже в том случае, если воздействиевыбросов углерода на климат окажется меньше, чем мы сейчас предполагаем, удвоениеего концентрации должно вызвать существенные изменения в биосфере. Изменение соотношенияО2 / СО2 может оказать сильное влияние на биологическое равновесиев тонком биосферном слое планеты, поскольку кислород и углекислый газ являются ключевымисубстратами важнейших жизненных процессов. Опасность современной экологической ситуациитаится в том, что к резкому изменению состава атмосферы быстрее всего будут адаптироватьсяпростейшие виды организмов; отсюда высокая вероятность появления новых форм болезнетворныхмикроорганизмов. Этот фактор риска в полной мере может быть отнесен к последствиямсжигания ископаемого органического топлива.

Выводы по III главе
Углекислый газвовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера,и потепление земного климата связывают, прежде всего, с увеличением его поступленияв атмосферу.
 Еще одним компонентомуглеродного цикла является метан. Ранее считалось, что поток метана из недр Землиневелик, и его практически не учитывали. Поток метана в атмосферу может значительноувеличиться при разрушении метангидратов, обнаруженных в последние десятилетия ввечной мерзлоте и в глубинах Мирового океана.
Дополнительноепоступление парниковых газов (особенно СО2) от антропогенных источниковнарушает природный углеродный баланс в атмосфере (в атмосферу ежегодно выделяетсяпримерно 140 млрд. т СО2) и катализирует парниковый эффект.
Но не все ученыеедины в своих оценках влияния техногенной эмиссии СО2 на климат Земли.Некоторые специалисты полагают, что наблюдавшиеся и ранее колебания температурыземной поверхности связаны с естественными природными причинами. По мнению академикаРАЕН О.Г.Сорохтина, насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощениеим теплового излучения, всегда приводит не к повышению, как это принято думать,а только к понижению и парникового эффекта, и средней поверхностной температурыпланеты.
Прослеживая эволюциюсодержания углекислого газа в геологические периоды, можно определить зависимостьмежду содержанием СО2 и переходом от оледенения к межледниковью.В результате интенсивного извлечения углекислого газа из атмосферы происходило падениепарникового эффекта и наступало мощное оледенение. Ледяной покров и низкие температурысильно угнетали фотосинтез, приводили к отмиранию значительной части биомассы, извлечениеуглекислоты из атмосферы сильно замедлялось. Происходило накопление углекислогогаза в атмосфере благодаря вулканической деятельности, а также возвращение его ватмосферу от окислившейся органики. В свою очередь, происходившее потепление снижалорастворимость углекислого газа в воде и приводило к его переходу в атмосферу, чтоеще более увеличивало парниковый эффект. Итак, оледенение отступало до тех пор,пока расплодившаяся биота опять не выводила почти все запасы углекислого газа изатмосферы, и цикл начинался опять.
Любопытно также, что по данным ледниковыхкернов, при переходе от ледниковой эпохи к межледниковью содержание СО2 и температура меняются синхронно, то при обратном переходе (например,115 и 75 тыс. лет назад) концентрация углекислого газа уменьшается позднее, чемснижается температура. Эта альтернативная точка зрения может стать научной базойдля решения данной проблемы.

Глава IV. Способы понижения концентрации углекислого газа в атмосфере
4.1 Глобальное потепление климата и протоколКиото
Климат Земли становится все мягче. Границысплошных морских льдов смещаются все дальше и дальше на север. Спутниковые фотографиисо всей неопровержимостью показывают, что покров арктических льдов с 1970 по 2002год сократился примерно на 25% [28 с.14]. Физические причины глобальных измененийклимата изучаются давно. Сегодня его основной движущей силой принято считать такназываемый парниковый эффект, который создают парниковые газы. Главную опасностьсоставляет углекислый газ. По мнению ряда ученых, глобальное потепление климатасвязано именно с ростом объема его выбросов. Количество парниковых газов в воздухестало заметно расти после начала промышленной революции в Европе, около 1750 года.
С начала 1990-х годов решение проблемыснижения выбросов парниковых газов стало одной из приоритетных задач мирового сообщества.Первым практическим шагом к ее решению считается Киотский протокол, подписанныйв декабре 1997 года. Его основной целью объявлено сокращение развитыми странамик 2008-2012 годам суммарных выбросов в атмосферу углекислого газа на 5,2% по сравнениюс выбросами 1990 года.
На развивающиеся страны Протокол вообщене возлагает никаких обязательств, кроме пожеланий перейти по возможности на использованиеэнергосберегающих технологий. По договоренности Протокол вступает в действие послератификации его странами, вместе выбрасывающими в атмосферу не менее 55% углекислогогаза. Его ратифицировали 120 стран (включая Европейский союз, Японию, Китай и Индию),производящих примерно 44% углекислоты. На долю России приходится 17% мировых выбросов,и поэтому для судьбы Киотского протокола ее позиция оказалась решающей. После несколькихлет колебаний Россия высказалась в пользу его ратификации. С 16 февраля 2005 годаКиотский протокол вступает в действие. По Киотскому протоколу на 2008-2012 гг. Россииустановлен допустимый уровень ежегодного выброса парниковых газов, соответствующийуровню 1990 г. (у стран ЕС в целом – 92%, у Японии – 94%). Это дает полную уверенностьв том, что разрешенный уровень мы не превысим: сейчас выбросы примерно на 25% ниже.
Международная группа экспертов по изменениюклимата (МГЭИК) Рамочной конференции ООН рассмотрела в 2000 году примерно 40 основныхсценариев развития цивилизации до 2100 года, главным образом с точки зрения потребленияископаемого топлива и соответствующего ему роста содержания в атмосфере СО2и других парниковых газов, а также прироста средней глобальной температурыи повышения уровня моря [28 с. 17]. Рассматривались сценарии как связанные с самыминтенсивным использованием ископаемого топлива, так и учитывающие возможный переходна новые альтернативные (солнечная, термоядерная, ветровая и т.д.) источники энергии.Один из сценариев – «работаем как обычно» (BAU – businessas usual)- сохранял основные экономические и демографические закономерностиразвития цивилизации неизменными. Удивительно, но, согласно сценарию BAU, прогнозируемые изменения к 2100 годуоказались не такими значительными: рост среднегодовой температуры от 2 до 4,5°С;подъем уровня моря от 0,3 до 0,5 м. Однако и эти, на первый взгляд не столь радикальные,перемены ведут к неисчислимым экологическим, экономическим, социальным и политическимпоследствиям.
Попытаемся взглянуть на ожидаемые последствияпотепления климата для нашей страны. На первое место, пожалуй, выйдут последствия,связанные с отступлением вечной мерзлоты. Вечная мерзлота в высоких широтах – своегорода строительный материал, на котором воздвигнуты несущие части домов и сооружений.Из нее фактически «сложены» стенки подземных хранилищ, в которых покоятся отходыпромышленной деятельности. Зона многолетней мерзлоты охватывает огромную часть территорииРоссии. Отступление мерзлоты будет сопровождаться разрушением домов и промышленныхсооружений. Значительные изменения прочности зданий уже произошли в Якутске, а к2030 году масштабы разрушений могут стать катастрофическими, если не принять срочныхзащитных мер. Поэтому специалистам необходимо оценить сроки и масштабы ожидаемыхизменений для всех городов и поселков в зоне вечной мерзлоты и немедленно приступитьк необходимым работам. В опасности окажутся и многие технические сооружения: нефтяныевышки, тысячекилометровые нефте- и газопроводы. Новые же крупномасштабные сооружения,например нефтепровод к мурманским морским терминалам, уже придется проектироватьс учетом условий меняющейся климатической ситуации.
Не меньшими, а возможно и более значительными,неприятностями грозит разрушение стенок подземных хранилищ. Десятки лет на северныхтерриториях шла добыча полезных ископаемых – нефти, газа, металлов. Огромные количествасырой нефти «потерялись» при авариях и протечках на нефтепроводах, но не распределилисьв почве, а остались в земле, скованные вечной мерзлотой. При таянии мерзлоты новыебиоценозы могут быть отравлены нефтью. Образно такие ситуации принято называть «химическимивременными бомбами», имея в виду отсроченный характер вредного воздействия. Временныебомбы могут иметь и «металлическую» природу: в отходах и отвалах горнодобывающихпроизводств на многолетней мерзлоте содержатся огромные количества вредных для всегоживого тяжелых металлов. На Севере уже пришлось столкнуться с проблемой, когда вповерхностные воды стали попадать размытые в оттепель сельскохозяйственные удобренияи ядохимикаты [28 с.19].
Очевидно, что проблема воздействия выбросовпарниковых газов на состояние окружающей среды требует активного поиска возможныхпутей ее решения. И единственный механизм борьбы с глобальным потеплением, предложенныйк настоящему времени, — это Киотский протокол. Приведет ли выполнение его положенийк исчезновению или хотя бы к отсрочке угрозы? Предположим, что снижение выбросовСО2 пойдет в полном соответствии с протокольным графиком. В 2005-2010годах мировая экономика будет продолжать развиваться и требовать новых затрат энергии,в том числе и в виде ископаемого топлива. Рост энергозатрат, скорее всего, будетотставать от роста экономики в целом, в связи с уменьшением энергоемкости производств.Выброс СО2 на единицу произведенной энергии также будет снижаться. Темне менее оценки показывают, что страны Западной Европы для выполнения Киотскогопротокола к 2010 году должны уменьшить выбросы СО2 по сравнению с ожидаемымина 28%. Поэтому развитым странам придется вкладывать все больше и больше средств,чтобы сохранить неизменным уровень промышленных выбросов. Экономисты подсчитали,что необходимые затраты на осуществление мероприятий по Киотскому протоколу в 2010году будут варьировать от 100 до 400 миллиардов долларов, в зависимости от сценария.
В том же положении окажется и весь остальноймир. Сохранение уровня выбросов СО2 на 5,2% ниже уровня 1990 года потребуетк 2050 году снижения выбросов по сравнению с ожидаемыми на 50%, что обойдется экономикепримерно в триллион долларов в год и составит примерно 2% ВВП, а к 2100 году- 4%ВВП ежегодно.
Какую отсрочку по сравнению со сценарием«работаем как обычно» мы получим после выполнения Киотского протокола? Ответ парадоксальный:рост температуры по сравнению с ожидаемым повышением на 2-5ºС в мировом масштабек 2100 году снизится на 0,15ºС, то есть потепление будет отсрочено лишь нашесть лет. Кроме того, к расходам на выполнение Киотского протокола добавятся ещеи затраты на те самые последствия потепления, которые все равно наступят, пустьи на шесть лет позже. Тогда для чего нужен и нужен ли вообще Киотский протокол?
Киотский протокол необходим, как первоесовместное усилие государств Земли по регулированию климата. Обязывающий характерПротокола заставляет со всей серьезностью отнестись к развитию альтернативных источниковэнергии, таких, как солнечная, термоядерная и прочие ее виды. Киотский протоколобязывает переходить на энергосберегающие технологии и требует от развитых странпередачи этих технологий развивающимся странам. Но совершенно очевидно, что в будущемпотребуется регулярный пересмотр Протокола.
Таким образом, за сроки, соизмеримые спродолжительностью человеческой жизни, глобальное потепление вряд ли удастся предотвратить,если только не появятся новые кардинальные подходы.
4.2 Способы сокращения парниковых газов ватмосфере
Из вышесказанного становится ясно, чтопонижение концентрации диоксида углерода в атмосфере является актуальной задачей,решение которой необходимо для устойчивого развития человеческой цивилизации. Поэтомууже сейчас возникает необходимость разработки теоретических подходов и экологическихпрограмм, обеспечивающих снижение выбросов парниковых газов в атмосферу.
Мировая практика наработала возможныепути решения этой проблемы.
1. Традиционные направления:
· развитие технологий,обеспечивающих снижение удельного расхода первичных энергоносителей на единицу производимойчистой энергии;
· развитие энергосберегающихтехнологий при передаче энергии и использовании энергетических агрегатов.
2. Нетрадиционные направления:
· развитие технологийутилизации диоксида углерода путем химических преобразований для получения продуктоворганической химии;
· развитие технологийпоглощения («связывания») СО2 с использованием различного вида адсорбентов.
3. Альтернативные направления:
· диверсификация топливно-энергетическогобаланса заинтересованных стран;
· увеличение доли гидроэнергии,энергии ветра, биомасс и других нетрадиционных источников.
Однако помимо перечисленных технических,технологических и организационных мероприятий по сокращению поступления парниковыхгазов в атмосферу, существуют и принципиально новые подходы.
1. Идея консервации вырабатываемыхпарниковых газов в подземных хранилищах.
Суть идеи состоит в том, что по мере исчерпаниязапасов минерального сырья мы сможем эффективно использовать подземное пространстводля решения экологических задач.
В результате проведенных исследовательскихработ был сделан вывод о возможности использования в качестве хранилищ диоксидауглерода следующие основные типы подземных объектов:
ü  отработанные нефтяные и газовые месторождения;
ü  природные ловушки, обладающие необходимымиколлекторными и экранирующими свойствами;
ü  подземные выработки ряда отработанныхместорождений полезных ископаемых;
ü  выявленные, но не использованные резервныехранилища природного газа.
Рассматриваемая идея консервации углекислогогаза в подземном пространстве обладает определенным количеством важных экологических,технологических и экономических преимуществ.
Наиболее значимые из них следующие.
Во-первых, появляется возможность сократитьпоступление диоксида углерода в атмосферу, независимо от изменения объемов его выработки,что особенно ценно в условиях роста промышленного производства и потребления энергии.
Во-вторых, снижается риск неблагоприятныхэкологических последствий производства диоксида углерода, так как его консервацияв подземных резервуарах не сопряжена с какими бы то ни было отрицательными последствиямидля окружающей среды, в частности – для подземных вод.
В-третьих, это вторичное использованиеинженерных и горно-технических сооружений, практически не требующее привлечениядополнительных инвестиций.
На сегодняшний день Российская Федерациярасполагает большим количеством подземных объектов, которые могут быть использованыв качестве резервуаров для хранения углекислого газа. Этот потенциал открывает широкиевозможности для поиска и реализации наиболее эффективных решений.
Самый большой экономический эффект можетбыть получен при использовании в качестве указанных резервуаров отработанных месторожденийприродного газа, а также выявленных в процессе нефтегазоразведочных работ непродуктивныхгеологических объектов, обладающих необходимыми экранирующими свойствами.
Таким образом, по мере истощения минерально-сырьевойбазы страны программа консервации диоксида углерода может стать альтернативным направлениемкомплексного использования недр и поддержать в стратегической готовности устойчивоеразвитие горной промышленности России.
2. Углерод, изъятый изатмосферы, можно хранить в почве.
Для того чтобы уменьшить количество углекислогогаза в атмосфере, ученые предлагают растительные остатки, образующиеся как отходылесной промышленности и сельского хозяйства, не сжигать, а превращать в древесныйуголь, который затем можно вносить в почву. Будучи весьма устойчивым, он будет сохранятьсятам столетиями. Смысл этой операции в том, чтобы углерод, изъятый из атмосферы входе фотосинтеза, надолго вывести из обычного круговорота.
Сжигание ископаемого топлива неизбежноведет к увеличению содержания в атмосфере углекислого газа (CO2), а этов свою очередь чревато дальнейшим развитием глобального потепления и подъемом уровняМирового океана.
Всё чаще появляются работы, в которыхговорится о необходимости крупномасштабного связывания углерода атмосферы (CO2)и о выводе его из глобального круговорота на время, измеряемое, по крайней мере,столетиями и тысячелетиями [35].
Экологи ищут простые способы связыванияуглерода атмосферы и по возможности долгого удержания его в форме, которая бы засчет природных процессов не превращалась снова в CO2. Выращивание лесови вообще восстановление естественного растительного покрова, безусловно, способствуетизъятию углекислого газа из атмосферы и накоплению углерода в тканях растений ив органическом веществе почвы. Однако как только леса и другие растительные сообществадостигают своей зрелости, поглощение CO2 в ходе фотосинтеза уравновешиваетсявыделением этого газа в результате дыхания — как самих растений, так и, главное,организмов-редуцентов (грибов и бактерий), осуществляющих разложение отмерших растительныхостатков. Соответственно, чтобы препятствовать возврату CO2 в атмосферу,необходимо сделать углерод органического вещества недоступным для редуцентов. Образовавшееся органическое вещество растений подвергают нагреваниюв условиях дефицита кислорода (процессу пиролиза) и получают древесный уголь. Содержаниеуглерода в древесном угле примерно в два раза выше, чем непосредственно в массерастительных остатков, но бактерии и грибы не могут использовать его для своих нужд.Поэтому, будучи внесенным в почву, древесный уголь может там сохраняться довольнодолго — столетия, а возможно, и тысячелетия (по крайней мере, такого возраста естественнообразовавшийся древесный уголь известен).
Возможностям подобной формы захороненияуглерода посвящена недавно появившаяся в журнале Science статья Йоханнеса Лемана(Johannes Lehmann) с Факультета зернового хозяйства и земледелия Корнельского университета(Итака, США). Схема предлагаемой технологии показана на рис. 3.
/>
Рис.3. Схема обычного круговорота углерода в природной экосистеме(слева) и включающая переработку растительных остатков в ходе пиролиза (справа)
В ходе обычного круговорота веществ вприродных экосистемах углерод CO2 связывается в процессе фотосинтеза,после чего примерно половина его расходуется на дыхание самих растений, а половинав виде органического вещества растительных остатков попадает на поверхность почвы,где разлагается грибами и бактериями до простых компонентов. Весь CO2,выделившийся при дыхании как растений, так и редуцентов, возвращается в атмосферу.Можно, конечно, растительные остатки собрать и пустить на переработку, получив изнего «биотопливо». Это, в общем, неплохо, так как экономится ископаемое топливо,но по отношению к углероду, находящемуся в атмосфере в виде СО2, даннаятехнология нейтральна: при сжигании биотоплива весь CO2, когда-то связанныйв ходе фотосинтеза, снова возвращается в атмосферу.
Гораздо лучше, по мнению автора статьи,технология превращения растительных остатков в древесный уголь (что также показанона схеме), особенно если газы, выделяющиеся в процессе пиролиза, уловлены и использованыкак биотопливо [35]. Образовавшийся древесный уголь вносится в почву, например,в смеси с навозом или минеральными удобрениями.
На основе проведенных расчетов Леман полагает,что технология связывания атмосферного углерода в древесном угле может быть широкоиспользована в трех случаях. Во-первых, это пиролиз остатков деревьев при промышленнойзаготовке леса. Во-вторых, пиролиз быстро растущей растительности на заброшенныхсельскохозяйственных угодьях. В-третьих, пиролиз остатков сельскохозяйственных культур.
Во всех случаях подразумевается, что древесныйуголь вносится в почву, а не сжигается. Очевидно, что стратегия связывания углеродав древесном угле оправдана только там, где есть в большом количестве запасы дешевойбиомассы. Внедрение данного метода в практику определяетсятем, насколько выгоднее будет сохранять древесный уголь в почве по сравнению с егосжиганием.

Выводы по IV главе
С начала 1990-х годов решениепроблемы снижения выбросов парниковых газов стало одной из приоритетных задач мировогосообщества. Первым практическим шагом к ее решению считается Киотский протокол,подписанный в декабре 1997 года. Его целью является сокращение развитыми странамик 2008-2012 годам суммарных выбросов в атмосферу углекислого газа на 5,2% по сравнениюс выбросами 1990 года.
Киотский протокол — первоесовместное усилие государств Земли по регулированию климата. Обязывающий характерПротокола заставляет со всей серьезностью отнестись к развитию альтернативных источниковэнергии, таких, как солнечная, термоядерная и прочие ее виды. Киотский протоколобязывает переходить на энергосберегающие технологии и требует от развитых странпередачи этих технологий развивающимся странам.
Понижение концентрации диоксида углеродав атмосфере является актуальной задачей. Поэтому возникает необходимость разработкитеоретических подходов и экологических программ, обеспечивающих снижение выбросовпарниковых газов в атмосферу, которые включают традиционные, нетрадиционные и альтернативныенаправления.
Конечно, не менее важно применение принципиальноновых подходов к уменьшению концентрации углекислого газа в атмосфере. Например,идея консервации вырабатываемых парниковых газов в подземных хранилищах. Суть которойсостоит в том, что по мере исчерпания запасов минерального сырья мы сможем эффективноиспользовать подземное пространство для решения экологических задач. Или, чтобыуменьшить количество углекислого газа в атмосфере, ученые предлагают растительныеостатки, образующиеся как отходы лесной промышленности и сельского хозяйства, несжигать, а превращать в древесный уголь, который затем можно вносить в почву.

Заключение
В процессе выполнения данной работы мыпроработали 35 научных источников.
Мы определили, что биогеохимическаямашина Земли представлена циклами элементов, связанных между собой. Это углерод,кислород, азот, кальций, магний, фосфор, сера, кремний, железо. И главенствующимявляется цикл органического углерода. В истории Земли основным источником СО2является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижнихгоризонтов земной коры. В ходе жизнедеятельности организмов (в процессе дыхания)и при вулканических извержениях углерод возвращается в атмосферу и гидросферу. Определенноеколичество его отлагается в литосфере и педосфере и расходуется на углекислотноевыветривание алюмосиликатов и образование различных углеродистых соединений. Извлеченныйиз атмосферы углерод, и захороненный даже в виде карбонатов, не говоря уже о захороненнойорганике, извлекается из нее все же не навсегда. По прошествии некоторого, частоочень значительного времени (до сотен миллионов лет и более), он возвращается обратнов атмосферу и участвует в дальнейшем круговороте.
Нами рассмотрены биогеохимические круговоротыуглерода, которые протекают в пространстве и времени.
По длительности (периодичности) и пространственномуразвитию можно выделить относительно короткие (часы – тысячи лет) биогеохимическиекруговороты (малый и ландшафтный биогеохимические циклы углерода) и биогеохимическийцикл, соизмеримый с геологической историей (большой биогеохимический цикл углерода).
Углекислый газ вовлечен в мощный круговоротуглерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера. Основное связующее звено в круговоротеэтого элемента — атмосфера, поскольку углерод в ней содержится в наиболее подвижнойформе — в виде оксида углерода (IV).
Мы определили, что в атмосферев настоящее время содержится около 7,5х102 Гт углерода. Но небольшимсодержание СО2 в атмосфере было далеко не всегда – так в архее (около3,5 млрд. лет назад) атмосфера состояла почти на 85-90% из углекислого газа.
В работе описаны содержащиеся в атмосферегазы (водяные пары, углекислый газ, метан и некоторые другие), которые поглощаютинфракрасное тепловое излучение с поверхности Земли, нагреваемой солнечным светом.В результате происходит разогрев атмосферы, который называют «парниковым эффектом».Дополнительное поступление парниковых газов (особенно СО2) от антропогенныхисточников нарушает природный углеродный баланс в атмосфере и катализирует парниковыйэффект.
Но существует мнение, что насыщение атмосферыуглекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, всегда приводитне к повышению, как это принято думать, а только к понижению и парникового эффекта.Однако удвоение его концентрации должно вызвать существенные изменения в биосфере.
Также прослежена эволюция содержания углекислогогаза в геологические эпохи: накопление СО2 в межледниковыепериоды, интенсивное извлечение из атмосферы, минимальное содержание и наступлениеоледенений, замедление захоронения СО 2 и снованакопление. Интересно, что по данным ледниковых кернов, при переходе от ледниковойэпохи к межледниковью содержание СО2 и температураменяются синхронно, то при обратном переходе концентрация углекислого газа уменьшаетсяпозднее, чем снижается температура. Эта альтернативная точка зрения может статьнаучной базой для решения данной проблемы.
Возможно, на данном этапепроисходит тепловое загрязнение. То есть выделение большого количества тепла человекомповышает глобальную температуру атмосферы, тем самым, увеличивая концентрацию свободногоуглерода за счет выделения его из океана.
Нами выявлено, что количество парниковыхгазов в воздухе стало заметно расти после начала промышленной революции в Европе,около 1750 года. С начала 1990-х годов решение проблемы снижения выбросов парниковыхгазов стало одной из приоритетных задач мирового сообщества. Первым практическимшагом к ее решению считается Киотский протокол, подписанный в декабре 1997 года.
Проанализировав аспекты Киотского протокола,мы пришли к выводу, что он необходим, как первое совместное усилие государств Землипо регулированию климата. Обязывающий характер Протокола заставляет со всей серьезностьюотнестись к развитию альтернативных источников энергии, таких, как солнечная, термоядернаяи прочие ее виды.
Мы считаем, что понижение концентрациидиоксида углерода в атмосфере является актуальной задачей, решение которой необходимодля устойчивого развития человеческой цивилизации. Нами рассмотрены возможные путирешения этой проблемы (традиционные, нетрадиционные и альтернативные направленияи принципиально новые подходы), наработанные мировой практикой.

Литература
1. Антонов Б.И., ПронинИ.С., Пронин С.И. О Киотском протоколе и не только о нем Приложение к журн. «Безопасностьжизнедеятельности». — 2005. — N 2. — С.12-24.
2. Арефьев В.Н., КаменоградскийН.Е., Кашин Ф.В. Углекислый газ в континентальной атмосфере // Метеорол. и гидрол.- 1995. — N 4. — С.87-96.
3. Богданкевич О.В. Лекциипо экологии. – М.2002.
4. Борисенков Е.П. Климати его изменения. – М.: Знание.- 1976.-64с.
5. Борисенков Е.П., КондратьевК.Я. Круговорот углерода и климат. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988
6. Будыко М.И. Глобальнаяэкология. – М.: Мысль, 1977.
7. Будыко М.И., ЕфимоваН.А., Лугина К.М. Современное потепление // Метеорол. и гидрол. — 1993. — N 7. — С.29-34. — Библиогр.: 14 назв.
8. Будыко М.И. Климатв прошлом и будущем.- Л.: Гидрометеоиздат, 1980
9. Будыко М.И. Проблемауглекислого газа. — СПб.: Гидрометеоиздат, 1997.-60с.
10.  Валяев Б.М., “Углеводородная дегазация Земли и генезис нефтегазовых месторождений”// «Геология нефти и газа», № 9, 1997 г.
11.  Величко А.А. Потепление климата — взглядв будущее // Наука в России. 2002. — N 3. — С.43-52.
12. Вернадский В.И. Биосфера.-М.: Мысль, 1967.
13. Виноградова М.Г. Космическиеистоки абиогенного углерода и его производных // Известия РГО.2006.-Т.138, вып.4.-С.30-36.
14. Воробьев В.Н., СаруханянЭ.И., Смирнов Н.П. «Глобальное потепление» миф или реальность? // Проблемытеоретической и прикладной экологии: Сб. науч. тр. — СПб.: РГГМУ, 2005. — С.10-26.- Библиогр.: 31 назв.
15. Груза Г.В., РаньковаЭ.Я. Потепление неотвратимо? // Земля и Вселенная. — 2003. — N 3. — С.21-30.
16. Гурни Кевин. Глобальноепотепление и парниковый эффект // Энергетика и безопасность. — 1998. — N 5. — С.3-4,10-12. — Библиогр.: 7 назв.
17. Демирчян К.К., ДемирчянК.С., Кондратьев К.Я. Темп роста концентрации СО2 и уточнение его прогнозныхоценок // Изв. АН. Энергетика. — 2001. — N 1. — С.3-25. — Библиогр.: 19 назв.
18. Демирчян К.С., КондратьевК.Я. Глобальный круговорот углерода и климат // Известия РГО.2004.-Т.136, вып.1.-С.16-24.
19. Дядин Ю.А., ГущинА.Л., «Газовые гидраты» // СОЖ, №3, 1998 г.
20.  Ершов Ю.И. Органическое вещество биосферыи почвы. – Новосибирск: Наука, 2004. – 104 с.
21. Ильинский А.А. Экономическиеи экологические аспекты реализации Киотского договора // ЭКО.- 2005.-№1.- С.39-45.
22. Кислов А.В. Перспективыизменения климата в ближайшем будущем / Кислов, Баженов // География в школе. –2005.-№5.-С.4-9.
23. Кондратьев К.Я. Глобальныйклимат.- СПб.: Наука, 1992.
24. Кондратьев К.Я., МоскаленкоН.И. Парниковый эффект атмосферы и климат. Итоги науки и техники // Метеорологияи климатология.- Т.12.- М.: ВНИТИ, 1984.
25. Кондратьев К.Я. Приоритетыглобальной климатологии // Известия РГО.2004.Т.136. Вып.2. -С.1-23.
26. Котляков В.М., ГросвальдМ.Г., Лориус К. Климаты прошлого из глубины ледниковых щитов // Новое в жизни, науке,технике. Науки о Земле. 12/1991.
27. Кочуров Б.И. и др.Анализ влияния ментальных характеристик населения на эффективность региональногоприродоведения // Материалы международной практической конференции проблем физическойгеографии и геологии: научные и образовательные аспекты.- С.143-157.
28. Лысцов В.Н. Угрожающеепотепление // Наука и жизнь. -№2.-2005.
29. Монин А.С., ШишковЮ.А. «Климат как проблема физики» // УФН, том 170, № 4, 2000 г.
30. Перельман А.И. Геохимиябиосферы. – М.: Наука, 1973.
31. Путвинский С.В., “Возможна ли будущая мировая энергетическая система без ядерного синтеза”// УФН, № 11, 1998 г.
32. Сафонов М.С., ЛисичкинГ.В. Можно ли уменьшить концентрацию углекислого газа в атмосфере // Соросовскийобразовательный журнал.-Т7-№7.-2001.
33. Сорохтин О.Г. Стоитли бояться накопления CO2 в тропосфере и озоновых дыр в стратосфере //География. Еженед. газета. Изд.д. «Первое сентября».- 2004.-№36.-С.5-11
34.  Сун В., Балюнас С., Демирчян К.С. и др.Влияние антропогенных выбросов СО2 на климат: нерешенные проблемы //Известия РГО. — 2001. — Т.133, вып.2. — С.1-19. — Библиогр.: 129 назв.
35. JohannesLehmann. A handful of carbon // Nature. 2007. V. 447. P. 143–144.