Содержание.
1 Человек и климат.
2 Введение.
Взаимосвязь между энергопотреблением, экономической деятельностью и поступлением в атмосферу.
Потребление энергии и выбросы углекислого газа.
3 Углерод в природе.
Основные химические соединения и реакции.
Изотопы углерода.
4 Углерод в атмосфере.
Атмосферный углекислый газ.
Углерод в почве.
5 Прогнозы концентрации углекислого газа в атмосфере на будущее. Основные выводы.
6 Список литературы.
Введение.
Деятельность человека достигла уже такого уровня развития, при котором её влияние на природу приобретает глобальный характер. Природные системы – атмосфера, суша, океан, – а также жизнь на планете в целом подвергаются этим воздействиям. Известно, что на протяжении последнего столетия увеличивалось содержание в атмосфере некоторых газовых составляющих, таких, как двуокись углерода (), закись азота (), метан () и тропосферный озон (). Дополнительно в атмосферу поступали и другие газы, не являющиеся естественными компонентами глобальной экосистемы. Главные из них – фторхлоруглеводороды. Эти газовые примеси поглощают и излучают радиацию и поэтому способны влиять на климат Земли. Все эти газы в совокупности можно назвать парниковыми.
Представление о том, что климат мог меняться в результате выброса в атмосферы двуокиси углерода, появилось не сейчас. Аррениус указал на то, что сжигание ископаемого топлива могло привести к увеличению концентрации атмосферного и тем самым изменить радиационный баланс Земли. В настоящие время мы приблизительно известно, какое количество поступило в атмосферу за счёт сжигания ископаемого топлива и изменений в использовании земель (сведения лесов и расширения сельскохозяйственных площадей), и можно связать наблюдаемое увеличение концентрации атмосферного с деятельностью человека.
Механизм воздействия на климат заключается в так называемом парниковом эффекте. В то время как для солнечной коротковолновой радиации прозрачен, уходящую от земной поверхности длинноволновую радиацию этот газ поглощает и излучает поглощённую энергию по всем направлениям. Вследствие этого эффекта увеличение концентрации атмосферного приводит к нагреву поверхности Земли и нижней атмосферы. Продолжающийся рост концентрации в атмосфере может привести к изменению глобального климата, поэтому прогноз будущих концентраций углекислого газа является важной задачей.
Поступление углекислого газа в атмосферу
в результате промышленных
выбросов.
Основным антропогенным источником выбросов является сжигание всевозможных видов углеродосодержащего топлива. В настоящее время экономическое развитие обычно связывается с ростом индустриализации. Исторически сложилось, что подъём экономики зависит от наличия доступных источников энергии и количества сжигаемого ископаемого топлива. Данные о развитии экономики и энергетики для большинства стран за период 1860-1973 гг. Свидетельствуют не только об экономическом росте, но и о росте энергопотребления. Тем не менее одно не является следствием другого. Начиная с 1973 года во многих странах отмечается снижение удельных энергозатрат при росте реальных цен на энергию. Недавнее исследование промышленного использования энергии в США показало, что начиная с 1920 года отношение затрат первичной энергии к экономическому эквиваленту производимых товаров постоянно уменьшалось. Более эффективное использование энергии достигается в результате совершенствования промышленной технологии, транспортных средств и проектирования зданий. Кроме того, в ряде промышленно развитых стран произошли сдвиги в структуре экономики, выразившиеся в переходе от развития сырьевой и перерабатывающей промышленности к расширению отраслей, производящих конечный продукт.
Минимальный уровень потребления энергии на душу населения, необходимый в настоящее время для удовлетворения нужд медицины, образования и рекреации, значительно меняется от региона к региону и от страны к стране. Во многих развивающихся странах значительный рост потребления высококачественных видов топлива на душу населения является существенным фактором для достижения более высокого уровня жизни. Сейчас представляется вероятным, что продолжение экономического роста и достижение желаемого уровня жизни не связаны с уровнем энергопотребления на душу населения, однако этот процесс ещё недостаточно изучен.
Можно предположить, что до достижения середины следующего столетия экономика большинства стран сумеет приспособиться к повышенным ценам на энергию, уменьшая потребности в рабочей силе и в других видах ресурсов, а также увеличивая скорость обработки и передачи информации или, возможно, изменяя структуру экономического баланса между производством товаров и предоставлением услуг. Таким образом, от выбора стратегии развития энергетики с той или иной долей использования угля или ядерного топлива в энергетической системе будет непосредственно зависеть скорость промышленных выбросов .
Потребление энергии и выбросы
углекислого газа.
Энергия не производится ради самого производства энергии. В промышленно развитых странах основная часть вырабатываемой энергии приходится на промышленность, транспорт, обогрев и охлаждение зданий. Во многих недавно выполненных исследованиях показано, что современный уровень потребления энергии в промышленно развитых станах может быть существенно снижен за счёт применения энергосберегающих технологий. Было рассчитано, что если бы США перешли, при производстве товаров широкого потребления и в сфере услуг, на наименее энергоёмкие технологии при том же объёме производства, то количество поступающего в атмосферу уменьшилось бы на 25%. Результирующее уменьшение выбросов в целом по земному шару при этом составило бы 7%. Подобный эффект имел бы место и в других промышленно развитых странах. Дальнейшего снижения скорости поступления в атмосферу можно достичь путём изменения структуры экономики в результате внедрения более эффективных методов производства товаров и усовершенствований в сфере предоставления услуг населению.
Углерод в природе.
Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Химические превращения органических веществ связаны со способностью атома углерода образовывать длинные ковалентные цепи и кольца. Биогеохимический цикл углерода, естественно, очень сложный, так как он включает не только функционирование всех форм жизни на Земле, но и перенос неорганических веществ как между различными резервуарами углерода, так и внутри них. Основными резервуарами углерода являются атмосфера, континентальная биомасса, включая почвы, гидросферу с морской биотой и литосферой. В течение последних двух столетий в системе атмосфера – биосфера – гидросфера происходят изменения потоков углерода, интенсивность которых примерно на порядок величины превышает интенсивность геологических процессов переноса этого элемента. По этой причине следует ограничиться анализом взаимодействий в пределах этой системы, включая почвы.
Основные химические соединения и реакции.
Известно более миллиона углеродных соединений, тысячи из которых участвуют в биологических процессах. Атомы углерода могут находиться в одном из девяти возможных состояний окисления: от +IV до -IV. Наиболее распространённое явление – это полное окисление, т.е. +IV, примерами таких соединений могут служить и . Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме (), а в литосфере – в виде минералов. Примером состояния окисления +II является малая газовая составляющая атмосферы , которая довольно быстро окисляется до . Элементарный углерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве – в форме древесного угля. Ассимиляция углерода в процессе фотосинтеза приводит к образованию восстановленного углерода, который присутствует в биоте, мёртвом органическом веществе почвы, в верхних слоях осадочных пород в виде угля, нефти и газа, захоронённых на больших глубинах, и в литосфере – в виде рассеянного недоокисленного углерода. Некоторые газообразные соединения, содержащие недоокисленный углерод , в частности метан, поступают в атмосферу при восстановлении веществ, происходящем в анаэробных процессах. Хотя при бактериальном разложении образуется несколько различных газообразных соединений, они быстро окисляются, и можно считать, что в систему поступает . Исключением является метан, поскольку он также влияет на парниковый эффект. В океанах содержится значительное количество растворённых соединений органического углерода, процессы окисления которых до известны ещё недостаточно хорошо.
Изотопы углерода.
В природе известно семь изотопов углерода, из которых существенную роль играют три. Два из них – и – являются стабильными, а один – – радиоактивным с периодом полураспада 5730 лет. Необходимость изучения различных изотопов углерода обусловлена тем, что скорости переноса соединений углерода и условия равновесия в химических реакциях зависят от того, какие изотопы углерода содержат эти соединения. По этой причине в природе наблюдается различное распределение стабильных изотопов углерода. Распределение же изотопа , с одной стороны, зависит от его образования в ядерных реакциях с участием нейтронов и атомов азота в атмосфере, а с другой – от радиоактивного распада.
Углерод в атмосфере.
Тщательные измерения содержания атмосферного были начаты в 1957 году Киллингом в обсерватории Мауна-Лоа. Регулярные измерения содержания атмосферного проводятся также на ряде других станций. Из анализа наблюдений можно заключить, что годовой ход концентрации обусловлен в основном сезонными изменениями цикла фотосинтеза и деструкции растений на суше; на него также влияет, хотя и меньшей степени, годовой ход температуры поверхности океана, от которого зависит растворимость в морской воде. Третьим, и, вероятно, наименее важным фактором является годовой ход интенсивности фотосинтеза в океане. Среднее за каждый данный год содержание в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники антропогенного поступления расположены преимущественно в северном полушарии. Кроме того, наблюдаются небольшие межгодовые изменения содержания , которые, вероятно, определяются особенностями общей циркуляции атмосферы. Из имеющихся данных по изменению концентрации в атмосфере основное значение имеют данные о наблюдаемом в течение последних 25 лет регулярном росте содержания атмосферного . Более ранние измерения содержания атмосферного углекислого газа (начиная с середины прошлого века) были, как правило, недостаточно полны. Образцы воздуха отбирались без необходимой тщательности и не производилась оценка погрешности результатов. С помощью анализа состава пузырьков воздуха из ледниковых кернов стало возможным получить данные для периода с 1750 по 1960 год. Было также выявлено, что определённые путём анализа воздушных включений ледников значения концентраций атмосферного для 50-х годов хорошо согласуются с данными обсерватории Мауна-Лоа. Концентрация в течение 1750-1800 годов оказалась близкой к значению 280 млн., после чего она стала медленно расти и к 1984 году составляла 3431 млн..
Углерод в почве.
По разным оценкам, суммарное содержание углерода составляет около
г С. Главная неопределённость существующих оценок обусловлена недостаточной полнотой сведений о площадях и содержании углерода в торфяниках планеты.
Более медленный процесс разложения углерода в почвах холодных климатических зон приводит к большей концентрации углерода почв (на единицу поверхности) в бореальных лесах и травянистых сообществах средних широт по сравнению с тропическими экосистемами. Однако только небольшое количество (несколько процентов или даже меньше) детрита, поступающего ежегодно в резервуар почв, остаётся в них в течение длительного времени. Большая часть мёртвого органического вещества окисляется до за несколько лет. В чернозёмах около 98% углерода подстилки характеризуется временем оборота около 5 месяцев, а 2% углерода подстилки остаются в почве в среднем в течение 500-1000 лет. Эта характерная черта почвообразовательного процесса проявляется также в том, что возраст почв в средних широтах, определяемый радиоизотопным методом, составляет от нескольких сотен до тысячи лет и более. Однако скорость разложения органического вещества при трансформации земель, занятых естественной растительностью, в сельскохозяйственные угодья совершенно другая. Например, высказывается мнение, что 50% органического углерода в почвах, используемых в сельском хозяйстве Северной Америки, могло быть потеряно вследствие окисления, так как эти почвы начали эксплуатироваться до начала прошлого века или в самом его начале.
Изменения содержания углерода в
континентальных экосистемах.
За последние 200 лет произошли значительные изменения в континентальных экосистемах в результате возрастающего антропогенного воздействия. Когда земли, занятые лесами и травянистыми сообществами, превращаются в сельскохозяйственные угодья, органическое вещество, т.е. живое вещество растений и мёртвое органическое вещество почв, окисляется и поступает в атмосферу в форме . Какое-то количество элементарного углерода может также захораниваться в почве в виде древесного угля (как продукт, оставшийся от сжигания леса) и, таким образом, изыматься из быстрого оборота в углеродном цикле. Содержание углерода в различных компонентах экосистем изменяется, поскольку восстановление и деструкция органического вещества зависят от географической широты и типа растительности.
Были проведены многочисленные исследования, имевшие своей целью разрешить существующую неопределённость в оценке изменений запасов углерода в континентальных экосистемах. Основываясь на данных этих исследований, можно прийти к выводу о том, что поступление в атмосферу с 1860 по 1980 год составило г. С и что в 1980 году биотический выброс углерода был равен г. С/год. Кроме того, возможно влияние возрастающих атмосферных концентраций и выбросов загрязняющих веществ, таких, как и , на интенсивность фотосинтеза и деструкции органического вещества континентальных экосистем. По-видимому, интенсивность фотосинтеза растёт с увеличением концентрации в атмосфере. Наиболее вероятно, что этот рост характерен для сельскохозяйственных культур, а в естественных континентальных экосистемах повышение эффективности использования воды могло бы привести к ускорению образования органического вещества.
Прогнозы концентрации углекислого
газа в атмосфере на будущее.
Основные выводы.
За последние десятилетия было создано большое количество моделей глобального углеродного цикла, рассматривать которые в данной работе не представляется целесообразным из-за того, что они в достаточной мере сложны и объёмны. Рассмотрим лишь кратко основные их выводы. Различные сценарии, использованные для прогноза содержания в атмосфере в будущем, дали сходные результаты. Ниже приведёна попытка подвести общий итог наших сегодняшних знаний и предположений, касающихся проблемы антропогенного изменения концентрации в атмосфере.
* С 1860 по 1984 год в атмосферу поступило г. За счёт сжигания ископаемого топлива, скорость выброса в настоящее время (по данным на 1984 год) равна г. С/год.
* В течение этого же периода времени поступление в атмосферу за вырубки лесов и изменения характера землепользования составило г. С, интенсивность этого поступления в настоящее время равна г. С/год.
* С середины прошлого века концентрация в атмосфере увеличилась от до млн. в 1984 году.
* Основные характеристики глобального углеродного цикла хорошо изучены. Стало возможным создание количественных моделей, которые могут быть положены в основу прогнозов роста концентрации в атмосфере при использовании определённых сценариев выброса.
* Неопределённости прогнозов вероятных изменений концентрации в будущем, получаемых на основе сценариев выбросов, значительно меньше значительно меньше неопределённостей самих сценариев выбросов.
* Если интенсивность выбросов в атмосферу в течение ближайших четырёх десятилетий останется постоянной или будет возрастать очень медленно (не более 0,5% в год) и в более отдалённом будущем также будет расти очень медленно, то к концу XXI века концентрация атмосферного составит около 440 млн., т.е. не более, чем на 60% превысит доиндустриальный уровень.
* Если интенсивность выбросов в течение ближайших четырёх десятилетий будет возрастать в среднем на 1-2 % в год, т.е. также, как она возрастала с 1973 года до настоящего времени, а в более отдалённом будущем темпы её роста замедлятся, то удвоение содержания в атмосфере по сравнению с доиндустриальным уровнем произойдёт к концу XXI века.
*
2