Углеродный цикл и изменения климата

зна-чениям в глубинных водах Атлантического океана, к ещё более высоким в Южном и Индийском океанах до максимальных в Тихом океане. Вертикальное распре-деление щёлочности очень похоже на распределение , однако пределы изменений щёлочности значи-тельно меньше и составляют примерно 30% изменений . Интересно отметить, что поверхностные концент-рации были бы на примерно на 15% выше, если бы океаны были хорошо перемешаны, что в свою очередь означало бы, что концентрация в атмосфере должна быть около 700 млн. Наличие вертикальных градиендов (так же как и щёлочности) в океанах оказывает существенное влияние на концентрации атмосферного .

Фотосинтез, разложение и растворение

органического вещества.

Деятельность морской биоты практически пол-ностью ограничена поверхностными слоями океана, где происходит интенсивный фотосинтез. В про-цессе образования первичной продукции, включающей как органические, так и неорганические соединения углерода, концентрация уменьшается. Влияние этого процесса на щёлочность может быть различным.Несомненно, что увеличение концентрации атмосферного создаёт поток из атмосферы в океан, который в свою очередь должен был изменить доиндустриальное распределение в верхних слоях океана.

Ежегодно около г С откладывается на дне океана, часть этих отложений представляет собой органический углерод, а другая часть - . Органический углерод является основным источником энергии для организмов, обитающих на дне моря, и только малая его часть захороняется в осадках, исключение составляют прибрежные зоны и шельфы. В некоторых ограниченных областях (например, в некоторых районах Балтийского моря) содержание кислорода в придонных водах может быть очень низким, соответственно уменьшается скорость окис-ления и значительные количества органического уг-лерода захороняются в осадках. Области с бес-кислородными условиями увеличиваются вследствие загрязнения прибрежных вод, и в последние годы, вероятно, количество легко окисляемого органичес-кого вещества также увеличилось.

Вследствие буферных свойств карбонатной системы, изменение концентрации растворённого суммарного неорганического углерода в морской воде, необходимое для достижения состояния рав-новесия с возрастающей концентрацией атмосферного углекислого газа, мало, и равновесное состояние между атмосферным и растворённым в поверхностных водах устанавливается быстро. Роль океана в глобальном углеродном цикле определяется главным образом скоростью обмена вод в океане.

Поверхностные слои океана довольно хорошо перемешаны вплоть до верхней границы термоклина, т.е. до глубины около 75 м в области широт примерно 45с. - 45ю. В более высоких широтах зимнее охлаждение вод приводит к перемешиванию до значительно больших глубин, а в ограниченных областях и в течение коротких интервалов времени перемешивание вод распространяется до дна океанов (как, например, в Гренландском море и море Уэд-делла). Кроме того, из областей основных течений в широтном поясе 45-55 (Гольфстрим в Северной Атлантике, Куросио в северной части Тихого океана и Антарктическое циркумполярное течение) про-исходит крупномасштабный перенос холодных поверхностных вод в область главного термоклина (глубина 100-1000 м). В слое термоклина про-исходит также вертикальное перемешивание. Оба процесса играют важную роль при переносе углерода в океане.

Между углекислым газом в атмосфере и растворённым неорганическим углеродом в поверхностных слоях морской воды равновесие устанавливается примерно в течение года (если пренебречь сезонными изменениями). Растворённый неорганический углерод переносится вместе с водными массами из поверхностных вод в глубинные слои океана. Возникающее в результате увеличение содержания суммарного растворённого неоргани-ческого углерода можно вычислить, принимая во внимание сопутствующий рост содержания пита-тельных веществ и щёлочности. Однако, таким спо-собом нельзя достаточно точно определить значения концентрации для времени, когда происходило образование глубинных вод. При поглощении ант-ропогенного океаном поток растворённого не-органического углерода из глубинных слоёв к по-верхностным уменьшается из-за повышения кон-центрации в поверхностных слоях океана, но при этом направленный вниз поток детрита остаётся не-изменным. Справедливость этого предположения под-тверждает тот факт, что первичная продуктивность в поверхностном слое океана обычно лимитируется наличием питательных веществ.

Автор статьи, использованной в качестве основы для написания этого реферата, проанализировал некоторые из этих возможных факторов и показал, что при определённых условиях в поверхностных слоях океана могут наблюдаться более низкие значения концентраций растворённого неорганичес-кого углерода по сравнению с современными, соответственно концентрации атмосферного будут также другими.

При оценках возможных значений концентраций атмосферного в будущем обычно считают, что об-щая циркуляция океанов не будет изменятся. Однако несомненно, что в прошлом она менялась. Если по-тепление, вызванное ростом концентрации в ат-мосфере, будет значительным, то, вероятно, про-изойдёт какое-то изменение циркуляции океана. В частности, может уменьшиться интенсивность обра-зования холодных глубинных вод, что в свою оче-редь может привести к уменьшению поглощения промышленного океаном.

Изменение круговорота углерода могло бы произойти также при увеличении суммарного количества питательных веществ в океане. Если наличие питательных веществ в поверхностных слоях по-прежнему будет основным фактором, лимитирующим фотосинтез, их концентрации в этих слоях должны быть очень низкими. Следовательно, должна увели-чится концентрация питательных веществ между обеднёнными этими веществами поверхностными вода-ми и глубинными слоями. В этом случае за счёт вертикального перемешивания в океане в поверх-ностные слои будет переноситься больше пита-тельных веществ, что приведёт к росту интен-сивности фотосинтеза. Вертикальный градиент концентрации также возрастёт, а поверхностные значения и парциальное давление при этом уменьшатся.

Для грубой оценки возможного роста первичной продуктивности в водных системах можно считать, что в процессе фотосинтеза используется 20-50 % имеющегося количества фосфатов и что образованное таким образом органическое вещество становится частью углеродного цикла в океане или захоро-няется в отложениях. Такое изменение продук-тивности приведёт к удалению из атмосферы и по-верхностных слоёв водных систем г. С/год. Это количество соответствует 2-6 % годового выброса углерода в атмосферу за счёт сжигания ископаемого топлива в 1972 году, поэтому данный процесс нельзя не учитывать при построении моделей изменения глобального климата.

Углерод в континентальной биоте

и в почвах.

В течение последних 20 лет были предприняты многочисленные попытки определения запасов уг-лерода в континентальной растительности и харак-теристик его годового круговорота - общей пер-вичной продуктивности и дыхания. Оценка, харак-теризующая состояние континентальной биомассы на 1980 год без учёта сухостоя, равна г С. В более поздних работах, основанных на большем количестве данных, указывается, что эта оценка содержания углерода в живом веществе биомассы скорее всего завышена.

Среднее время пребывания углерода в лесных системах составляет 16-20 лет, но средний возраст деревьев по крайней мере в два раза больше, так как менее половины чистой первичной продукции превращается в целлюлозу. Среднее время жизни уг-лерода в растениях, не входящих в лесные системы, равно примерно 3 годам.

По разным оценкам, суммарное содержание углерода в составляет около г С. Главная неопределённость существующих оценок обусловлена недостаточной полнотой сведений о площадях и содержании углерода в торфяниках планеты.

Изменения содержания углерода в

континентальных экосистемах.

За последние 200 лет произошли значительные изменения в континентальных экосистемах в ре-зультате возрастающего антропогенного воздейст-вия. Когда земли, занятые лесами и травянистыми сообществами, превращаются в сельскохозяйственные угодья, органическое вещество, т.е. живое вещест-во 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 органического вещества зависит от географической широты и типа растительности.

Были проведены многочисленные исследования, имевшие своей целью разрешить существующую не-определённость в оценке изменений запасов угле-рода в континентальных экосистемах. Основываясь на данных этих исследований, можно прийти к вы-воду о том, что поступление в атмосферу с 1860 по 1990 год составило г С и что в 1990 году биотический выброс углерода был равен г С/год. Кроме того, возможно влияние возрастающих атмосферных концентраций и выб-росов загрязняющих веществ, таких, как и , на интенсивность фотосинтеза органического ве-щества 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 эко-системах 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 боль-шое количество моделей глобального углеродного цикла, рассматреть которые в данной работе я не смог из-за того, что они сложны и объёмны. Рассмотрю лишь кратко основные их выводы. Раз-личные сценарии, использованные для прогноза со-держания в атмосфере в будущем, дали сходные результаты. Ниже я попытался подвести общий итог, касающихся проблемы антропогенного изменения кон-центрации в атмосфере.

• С 1860 по 1984 год в атмосферу поступило г С за счёт сжигания ископаемого топ-лива, скорость выброса в настоящее время (по данным на 1990 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 нас-тоящее время равна г С/год.

• С середины прошлого века концентрация в атмосфере увеличилась от до млн в 1990 году.

• Основные характеристики глобального углеродного цикла хорошо изучены. Стало возможным создание количественных моделей, которые могут быт положены в основу прогнозов роста концентрации в атмосфере при использовании определённых сценариев выброса.

• 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 бу-дущем 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 бли-жайших 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 за-медлятся, то удвоение содержания в атмо-сфере по сравнению с доиндустриальным уровнем произойдёт к концу XXI века.

• Основные неопределённости прогнозов концент-рации в атмосфере вызваны недостаточным знанием роли таких факторов,как:

• скорости водообмена между поверхностными, промежуточными и глубинными слоями океана;

• чувствительности морской первичной продукции к изменениям содержания пита-тельных веществ в поверхностных водах;

• захоронения органического вещества в осад-ках в прибрежных районах (и озёрах);

• изменение щёлочности, и, следовательно, буферного фактора морской воды, вызванных ростом содержания растворённого неоргани-ческого углерода;

• увеличения интенсивности фотосинтеза и рос-та биомассы и почвенного органического ве-щества в континентальных экосистемах за счёт роста концентрации в атмосфере и возможного отложения питательных веществ, поступающих из антропогенных источников;

• увеличения скорости разложения органичес-кого вещества почв, особенно в процессе эксплуатации лесов;

• образование древесного угля в процессе го-рения биомассы.

Величина ожидаемого изменения средней гло-бальной температуры при удвоении концентрации приблизительно соответствует величине её изме-нения при переходе от последнего ледникового пе-риода к современному межледниковью. Более уме-ренное потребление ископаемого топлива в течение ближайших десятилетий могло бы продлить воз-можность его использования на более отдалённую перспективу. В этом случае концентрация в ат-мосфере не достигнет удвоенного значения по срав-нению с доиндустриальным уровнем.

Проблема изменения климата в результате эмиссии парниковых газов должна рассматриваться как одна из самых важных современных проблем, связанных с долгосрочными воздействиями на окружающую среду, и рассматривать её нужно в со-вокупности с другими проблемами, вызванными ант-ропогенными воздействиями на природу.

Список литературы.

1. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. / Под редакцией Б. Болина, Б. Р. Десса, Дж. Ягера, Р. Уоррика. / Ленинград, Гидрометеоиздат - 1989.

2. “Земля и Вселенная”, 2-93: “Углекислый газ и климатические изменения” – С.А.Щепинов

3. “Земля и Вселенная”, 1-95: “Экологические следствия начавшегося глобального потепления Земли” – А.Л.Яншин