Composición química
La atmósfera terrestre surgió como resultado de la liberación de gases durante las erupciones volcánicas. Con la aparición de los océanos y la biosfera, se formó debido al intercambio de gases con agua, plantas, animales y los productos de su descomposición en suelos y pantanos.
Actualmente, la atmósfera terrestre se compone principalmente de gases y diversas impurezas (polvo, gotas de agua, cristales de hielo, sales marinas, productos de combustión).
La concentración de gases que componen la atmósfera es casi constante, a excepción del agua (H 2 O) y el dióxido de carbono (CO 2).
Además de los gases indicados en la tabla, la atmósfera contiene SO 2, NH 3, CO, ozono, hidrocarburos, HCl, HF, vapor de Hg, I 2, además de NO y muchos otros gases en pequeñas cantidades. La troposfera contiene constantemente una gran cantidad de partículas sólidas y líquidas en suspensión (aerosol).
Dióxido de carbono en la atmósfera terrestre., a partir de 2011, está representado en una cantidad de 392 ppm o 0,0392%. El papel del dióxido de carbono ( Dióxido de CO2 o dióxido de carbono) en la vida de la biosfera consiste principalmente en mantener el proceso de fotosíntesis, que llevan a cabo las plantas. Como gas de efecto invernadero, el dióxido de carbono en el aire afecta el intercambio de calor del planeta con el espacio circundante, bloqueando efectivamente el calor reirradiado en varias frecuencias y, por lo tanto, participa en la configuración del clima del planeta.
Debido al uso activo de combustibles fósiles como combustible por parte de la humanidad, se produce un rápido aumento en la concentración de este gas en la atmósfera. La primera influencia antropogénica sobre las concentraciones de dióxido de carbono se ha observado desde mediados del siglo XIX. Desde entonces, su tasa de crecimiento ha aumentado y a finales de la década de 2000 se produjo a una tasa de 2,20 ± 0,01 ppm/año o 1,7% anual. Según estudios separados, el nivel actual de CO 2 en la atmósfera es el más alto de los últimos 800 mil años y, posiblemente, de los últimos 20 millones de años.
Papel en el efecto invernadero
A pesar de su concentración relativamente baja en el aire, el CO 2 es un componente importante de la atmósfera terrestre porque absorbe y reemite radiación infrarroja en varias longitudes de onda, incluida una longitud de onda de 4,26 μm (modo vibratorio: estiramiento asimétrico de la molécula) y 14,99 μm. μm (fluctuaciones de flexión). Este proceso elimina o reduce la radiación de la Tierra al espacio en estas longitudes de onda, lo que produce el efecto invernadero. El cambio actual en la concentración de CO 2 atmosférico se refleja en las bandas de absorción, donde su influencia actual en el espectro de reemisión de la Tierra conduce sólo a una absorción parcial.
Además de las propiedades invernadero del dióxido de carbono, también es importante que sea un gas más pesado en comparación con el aire. Dado que la masa molar relativa promedio del aire es 28,98 g/mol y la masa molar del CO 2 es 44,01 g/mol, un aumento en la proporción de dióxido de carbono conduce a un aumento en la densidad del aire y, en consecuencia, a un cambio en su perfil de presión dependiendo de la altura. Debido a la naturaleza física del efecto invernadero, tal cambio en las propiedades de la atmósfera conduce a un aumento de la temperatura media de la superficie.
En general, un aumento de la concentración desde los niveles preindustriales de 280 ppm a los niveles modernos de 392 ppm equivale a 1,8 vatios adicionales liberados por metro cuadrado de la superficie del planeta. Este gas también tiene la propiedad única de provocar un cambio climático a largo plazo, que, una vez que cesa la emisión que lo provocó, permanece en gran medida constante durante hasta mil años. Otros gases de efecto invernadero, como el metano y el óxido nitroso, existen libres en la atmósfera durante un período de tiempo más corto.
Fuentes de dióxido de carbono
Las fuentes naturales de dióxido de carbono en la atmósfera incluyen las erupciones volcánicas, la combustión de materia orgánica en el aire y la respiración de representantes del mundo animal (organismos aeróbicos). El dióxido de carbono también es producido por algunos microorganismos como resultado del proceso de fermentación, la respiración celular y en el proceso de descomposición de los restos orgánicos en el aire. Las fuentes antropogénicas de emisiones de CO 2 a la atmósfera incluyen: la quema de combustibles fósiles para generar calor, producir electricidad y transportar personas y mercancías. Algunas actividades industriales, como la producción de cemento y la eliminación de gases mediante quema, generan importantes emisiones de CO 2.
Las plantas convierten el dióxido de carbono resultante en carbohidratos durante la fotosíntesis, que se lleva a cabo a través del pigmento clorofila, que utiliza la energía de la radiación solar. El gas resultante, el oxígeno, se libera a la atmósfera terrestre y los organismos heterótrofos y otras plantas lo utilizan para la respiración, formando así el ciclo del carbono.
Emisiones antropogénicas
Emisiones de carbono a la atmósfera como resultado de actividades industriales. actividad en 1800 – 2004
Con el advenimiento de la Revolución Industrial a mediados del siglo XIX, se produjo un aumento progresivo de las emisiones antropogénicas de dióxido de carbono a la atmósfera, lo que provocó un desequilibrio en el ciclo del carbono y un aumento de las concentraciones de CO 2. Actualmente, alrededor del 57% del dióxido de carbono producido por la humanidad es eliminado de la atmósfera por las plantas y los océanos. La relación entre el aumento de la cantidad de CO 2 en la atmósfera y el CO 2 total liberado es un valor constante de aproximadamente el 45% y sufre fluctuaciones y fluctuaciones a corto plazo durante un período de cinco años.
La quema de combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural es la principal causa de emisiones antropogénicas de CO 2, siendo la deforestación la segunda causa principal. En 2008, la quema de combustibles fósiles liberó 8.670 millones de toneladas de carbono a la atmósfera (31.800 millones de toneladas de CO2), frente a 6.140 millones de toneladas de emisiones anuales de carbono en 1990. La conversión de los bosques al uso de la tierra ha dado lugar a un aumento del dióxido de carbono atmosférico equivalente a la quema de 1.200 millones de toneladas de carbón en 2008 (1.640 millones de toneladas en 1990). El aumento acumulado a lo largo de 18 años es del 3% del ciclo natural anual de CO 2, lo que es suficiente para desequilibrar el sistema y provocar que los niveles de CO 2 aumenten rápidamente. Como resultado, el dióxido de carbono se acumuló gradualmente en la atmósfera y en 2009 su concentración era un 39% superior a los niveles preindustriales.
Así, a pesar de que (a 2011) las emisiones antropogénicas totales de CO2 no superan el 8% de su ciclo natural anual, se produce un aumento de las concentraciones debido no sólo al nivel de emisiones antropogénicas, sino también al aumento constante de la nivel de emisiones a lo largo del tiempo.
Muy grande. El dióxido de carbono participa en la formación de toda la materia viva del planeta y, junto con las moléculas de agua y metano, crea el llamado "efecto invernadero".
Valor de dióxido de carbono ( Dióxido de CO2 o dióxido de carbono) en la vida de la biosfera consiste principalmente en mantener el proceso de fotosíntesis, que llevan a cabo las plantas.
Ser gases de efecto invernadero, el dióxido de carbono en el aire afecta el intercambio de calor del planeta con el espacio circundante, bloqueando efectivamente el calor irradiado en varias frecuencias y, por lo tanto, participa en la formación.
Recientemente, ha habido un aumento en la concentración de dióxido de carbono en el aire, lo que conduce a...
El carbono (C) en la atmósfera está contenido principalmente en forma de dióxido de carbono (CO 2) y en pequeñas cantidades en forma de metano (CH 4), monóxido de carbono y otros hidrocarburos.
Para los gases atmosféricos se utiliza el concepto de “vida útil del gas”. Este es el tiempo durante el cual el gas se renueva por completo, es decir. el tiempo durante el cual entra a la atmósfera la misma cantidad de gas que contiene. Entonces, para el dióxido de carbono este tiempo es de 3 a 5 años, para el metano, de 10 a 14 años. El CO se oxida a CO 2 durante varios meses.
En la biosfera la importancia del carbono es muy alta, ya que forma parte de todos los organismos vivos. Dentro de los seres vivos, el carbono está contenido en forma reducida y fuera de la biosfera, en forma oxidada. Así se forma un intercambio químico del ciclo de vida: CO 2 ↔ materia viva.
Fuentes de carbono en la atmósfera.
La fuente de dióxido de carbono primario es cuya erupción libera una gran cantidad de gases a la atmósfera. Parte de este dióxido de carbono surge durante la descomposición térmica de calizas antiguas en diversas zonas metamórficas.
El carbono también ingresa a la atmósfera en forma de metano como resultado de la descomposición anaeróbica de residuos orgánicos. El metano, bajo la influencia del oxígeno, se oxida rápidamente a dióxido de carbono. Los principales proveedores de metano a la atmósfera son los bosques tropicales y.
A su vez, el dióxido de carbono atmosférico es una fuente de carbono para otras geosferas: la biosfera y.
Migración de CO 2 en la biosfera.
La migración de CO 2 se produce de dos formas:
En el primer método, el CO 2 se absorbe de la atmósfera durante la fotosíntesis y participa en la formación de sustancias orgánicas, seguido de su entierro en forma de minerales: turba, petróleo, esquisto bituminoso.
En el segundo método, el carbono participa en la creación de carbonatos en la hidrosfera. CO 2 se convierte en H 2 CO 3, HCO 3 -1, CO 3 -2. Luego, con la participación del calcio (menos comúnmente magnesio y hierro), los carbonatos se depositan a través de vías biogénicas y abiogénicas. Aparecen gruesas capas de piedra caliza y dolomita. Según A. B. Ronov, la proporción de carbono orgánico (Corg) a carbono carbonatado (Ccarb) en la historia de la biosfera fue de 1:4.
¿Cómo ocurre el ciclo geoquímico del carbono en la naturaleza y cómo regresa el dióxido de carbono a la atmósfera?
1. La principal fuente de dióxido de carbono que ingresa a la atmósfera es Combustión de combustibles fósiles(carbón, petróleo, gas) para la producción de energía. Alrededor del 80% de toda la energía del mundo se produce a partir de energía térmica. La liberación de dióxido de carbono a la atmósfera aumentó una media del 0,4% anual entre 1860 y 1990. Durante la década de 1980, fueron 5,5 + 500 millones de toneladas de carbono por año.
2. Decadencia de los bosques tropicales y ecuatoriales cinturones, degradación del suelo, otras transformaciones antropogénicas de los paisajes conducir principalmente a la liberación de carbono, que va acompañada de su oxidación, es decir, formación de CO2. En general, las emisiones a la atmósfera debidas a la transformación de los paisajes tropicales ascienden a 1,6 ± 1,0 mil millones de toneladas carbón. Por otro lado, en las latitudes templadas y altas del hemisferio norte, hay, en general, un predominio de la restauración forestal sobre la pérdida forestal. Para formar materia orgánica en los bosques, se extrae dióxido de carbono de la atmósfera mediante el proceso de fotosíntesis. Esta cantidad, en términos de carbono, equivale a 0,5 ± 0,5 mil millones de toneladas. Los límites de precisión iguales al valor mismo también nos indican el nivel aún bajo de comprensión del papel antropogénico en algunas partes del ciclo biogeoquímico global del carbono.
3. Como resultado, en la atmósfera. actividad humana además se acumula anualmente 3,3 ± 200 millones toneladas de carbono en forma de dióxido de carbono.
4. Los océanos del mundo están absorbiendo de la atmósfera (se disuelve, se une química y biológicamente) sobre 2,0 ± 0,8 mil millones toneladas de carbono en forma de dióxido de carbono. La absorción total de dióxido de carbono por el océano aún no se ha medido directamente. Se calculan a partir de modelos que describen el intercambio entre la atmósfera, la superficie y las capas profundas del océano.
Un aumento de la concentración de CO 2 en la atmósfera debería estimular el proceso de fotosíntesis. Este es el llamado fertilización, gracias a lo cual, según algunos, la sustancia puede aumentar entre un 20 y un 40% con el doble de la concentración actual de dióxido de carbono. En el balance de los flujos de carbono antropogénicos, todos los procesos aún poco comprendidos que ocurren en los ecosistemas terrestres, incluida la fertilización, se estiman en 1,3 ± 1,5 mil millones de toneladas.
Metano (CH 4 ) También desempeña un papel importante en el efecto invernadero, representando aproximadamente el 19% de su valor total (en 1995). El metano se forma en condiciones anaeróbicas, como pantanos naturales de diversos tipos, espesos estacionales y permafrost, plantaciones de arroz, vertederos, así como como resultado de la actividad vital de rumiantes y termitas.
Las estimaciones muestran que alrededor del 20% de las emisiones totales de metano están asociadas con la tecnología de uso de combustibles fósiles (quema de combustibles, emisiones de minas de carbón, producción y distribución de gas natural, refinación de petróleo). En total, las actividades antropogénicas proporcionan entre el 60% y el 80% de las emisiones totales de metano a la atmósfera. En la atmósfera el metano es inestable. Se elimina debido a la interacción con el ion hidroxilo (OH) en la troposfera. A pesar de este proceso, la concentración de metano en la atmósfera aproximadamente se ha duplicado desde la época preindustrial y continúa aumentando a un ritmo de alrededor del 0,8% anual.
Óxido nítrico. Rol actual óxido nítrico(N 2 O) en el efecto invernadero total es sólo alrededor del 6%. También está aumentando la concentración de óxido de nitrógeno en la atmósfera. Se supone que sus fuentes antropogénicas tienen aproximadamente la mitad del tamaño de las naturales. Las fuentes de óxido nítrico antropogénico incluyen la agricultura (especialmente los pastizales tropicales), la quema de biomasa y las industrias productoras de nitrógeno. Su potencial relativo de efecto invernadero (290 veces mayor que el del dióxido de carbono) y su vida atmosférica típica (120 años) son importantes, lo que compensa su concentración relativamente baja.
Clorofluorobromocarbonos(CFC) son sustancias sintetizadas por el hombre y que contienen cloro, flúor y bromo. Tienen un potencial relativo de efecto invernadero muy fuerte y una vida útil atmosférica significativa. Su papel total en el efecto invernadero era de aproximadamente el 7% a mediados de los años 1990.
Ozono(0 3) es un importante gas de efecto invernadero que se encuentra tanto en la estratosfera como en la troposfera.
Aerosoles- Son partículas sólidas de la atmósfera con un diámetro de varias micras. Se forman como resultado de la erosión eólica del suelo, erupciones volcánicas y otros procesos naturales, así como por la actividad humana (quema de combustibles fósiles y biomasa).
A diferencia de los gases de efecto invernadero, típico vida útil del aerosol en la atmósfera no excede de varios días. Por lo tanto, su potencial de radiación responde rápidamente a un aumento de las emisiones contaminantes y disminuye con la misma rapidez. A diferencia del impacto global de los gases de efecto invernadero, el impacto de los aerosoles atmosféricos es local. La distribución geográfica de los aerosoles de sulfato en el aire coincide en gran medida con las zonas industriales del mundo. Ahí es donde el local Efecto refrescante Los aerosoles pueden reducir significativamente e incluso prácticamente eliminar el efecto invernadero global. Las erupciones volcánicas son un factor irregular pero significativo en la formación de altas concentraciones de partículas de aerosol, provocando un retraso de la radiación solar cerca del suelo y, por tanto, un enfriamiento notable. La catastrófica explosión del volcán Tambora en 1815 en Indonesia provocó una notable disminución de la temperatura del aire en todo el mundo durante los siguientes tres años.
Consecuencias hidroclimáticas de los antropogénicos.
Efecto invernadero.
La acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera y la posterior intensificación del efecto invernadero provocan un aumento de la temperatura de la capa de aire y de la superficie del suelo. Durante los últimos cien años, la temperatura global promedio ha aumentado aproximadamente entre 0,3 y 0,6 °C. En los últimos años se ha producido un aumento particularmente notable de la temperatura, a partir de la década de 1980, que fue la década más cálida durante todo el período de observaciones instrumentales. El análisis de los datos globales sobre la temperatura del aire nos permitió sacar una conclusión razonable de que el aumento de temperatura observado se debe no solo a las fluctuaciones climáticas naturales, sino también a la actividad humana. Se puede suponer que la progresiva acumulación antropogénica de gases de efecto invernadero en la atmósfera conducirá a un mayor fortalecimiento del efecto invernadero. Las estimaciones del cambio climático esperado generalmente se hacen basándose en el uso de modelos de circulación atmosférica global. Sin embargo, la precisión de los modelos aún no es alta ni siquiera para cálculos a nivel global. Las previsiones de cambios en las regiones del mundo, que son extremadamente importantes desde el punto de vista práctico, todavía no son fiables. Además, es necesario tener en cuenta posibles cambios en las actividades humanas, conscientes o inconscientes, que provoquen cambios en la acumulación de gases de efecto invernadero y, por tanto, cambios posteriores en el efecto invernadero.
Estas circunstancias son tenidas en cuenta por escenarios.
1. De acuerdo con el escenario del valor más probable de emisiones de gases de efecto invernadero, el promedio global temperatura La capa de aire en la superficie aumentará aproximadamente 2°C durante el período comprendido entre 1990 y 2100. En los escenarios de bajas y altas emisiones, el aumento de temperatura será de 1°C y 3,5°C, respectivamente. Debido a la inercia térmica de los océanos, la temperatura media del aire seguirá aumentando después de 2100, incluso si la concentración de gases de efecto invernadero se estabiliza para entonces.
2. Con una duplicación del contenido de dióxido de carbono en la atmósfera en comparación con el período preindustrial, un aumento de la temperatura del aire en varios regiones estará entre 0,6°C y 7°C. La tierra se calentará más que los océanos. El mayor aumento de temperatura se espera en las zonas árticas y subárticas, especialmente en invierno, debido principalmente a una disminución de la extensión del hielo marino.
3. Un aumento de la temperatura del aire irá acompañado de aumento de las precipitaciones, aunque el patrón de distribución espacial de la precipitación será más variado que la distribución de la temperatura del aire. La variación en los cambios de precipitación oscilará entre -35% y +50%. La confiabilidad de estimar los cambios en la humedad del suelo, que es tan importante para la agricultura, también es mucho menor que la de estimar los cambios en la temperatura del aire.
4. Los cambios relativamente pequeños en los promedios climáticos probablemente irán acompañados de un aumento en la frecuencia de fenómenos raros. eventos catastróficos, como ciclones tropicales, tormentas, sequías, temperaturas extremas del aire, etc. Un evento de la escala de todo el Holoceno: un tsunami catastrófico que azotó la costa norte del Océano Índico el 26 de diciembre de 2005 y se cobró entre 250 y 400 mil personas. .
5. En el último siglo ha habido aumento constante del nivel medio de los océanos del mundo, que asciende a 10-25 cm. Las principales razones del aumento del nivel del mar son la expansión térmica del agua debido a su calentamiento debido al calentamiento climático, así como la afluencia adicional de agua debido a la reducción de los glaciares polares y de montaña. Estos mismos factores seguirán funcionando en el futuro, con la conexión gradual en un futuro más lejano del agua de deshielo de las capas de hielo de Groenlandia y luego de la Antártida. Se espera que el nivel mundial del mar aumente 50 cm para 2100 y, dada la incertidumbre, se espera que el aumento oscile entre 20 y 86 cm. El nivel del mar seguirá aumentando durante varios siglos después de 2100, incluso si las concentraciones de gases de efecto invernadero se estabilizan. El aumento del nivel del mar provocará graves problemas naturales y socioeconómicos en las zonas costeras de los mares y océanos.
> Concentración de dióxido de carbono
Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que las mayores concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera tienen una conexión directa con el calentamiento global, pero resulta que el dióxido de carbono también puede tener una relación directa con nuestra salud. Los seres humanos somos la principal fuente de dióxido de carbono en interiores, ya que exhalamos entre 18 y 25 litros de este gas por hora. Se pueden observar altos niveles de dióxido de carbono en todas las áreas donde se encuentran las personas: en las aulas de las escuelas y auditorios de las universidades, en las salas de reuniones y oficinas, en los dormitorios y en las habitaciones de los niños.
Es un mito que nos falta oxígeno en una habitación mal ventilada. Los cálculos muestran que, contrariamente al estereotipo existente, los dolores de cabeza, la debilidad y otros síntomas ocurren en una persona en el interior no por falta de oxígeno, sino por una alta concentración de dióxido de carbono.
Hasta hace poco, en los países europeos y en los EE.UU., el nivel de dióxido de carbono en una habitación se medía sólo para comprobar la calidad de la ventilación, y se creía que el CO2 era peligroso para los humanos sólo en altas concentraciones. Recientemente han aparecido investigaciones sobre los efectos del dióxido de carbono en una concentración de aproximadamente el 0,1% en el cuerpo humano.
Pocas personas saben que el aire limpio fuera de la ciudad contiene aproximadamente un 0,04% de dióxido de carbono, y cuanto más se acerca el contenido de CO2 en la habitación a esta cifra, mejor se siente la persona.
¿Entendemos el impacto de la mala calidad del aire interior en nuestra salud y la salud de nuestros hijos? ¿Entendemos el impacto de los altos niveles de dióxido de carbono en interiores en nuestra productividad y rendimiento estudiantil? ¿Podemos entender por qué nosotros y nuestros hijos estamos tan cansados al final de la jornada laboral? ¿Somos capaces de solucionar el problema del cansancio e irritabilidad matutinos, así como del mal sueño nocturno?
Un grupo de científicos europeos realizó estudios sobre cómo los niveles altos (aproximadamente 0,1-0,2%) de dióxido de carbono en las aulas afectan al cuerpo de los escolares. Los estudios han demostrado que más de la mitad de los escolares experimentan regularmente los efectos negativos de los altos niveles de CO2, y la consecuencia de esto es que en estos niños se observan problemas con el sistema respiratorio, rinitis y nasofaringe débil con mucha más frecuencia que en otros niños.
Como resultado de estudios realizados en Europa y Estados Unidos, se encontró que los niveles elevados de CO2 en el aula provocan una disminución de la atención de los escolares, un deterioro del rendimiento académico y un aumento del número de ausencias debidas. a la enfermedad. Esto es especialmente cierto para los niños que tienen asma.
En Rusia nunca se han realizado estudios de este tipo. Sin embargo, como resultado de una encuesta exhaustiva entre niños y adolescentes de Moscú en 2004-2004. Resultó que entre las enfermedades descubiertas entre los jóvenes moscovitas predominaban las enfermedades respiratorias.
Como resultado de estudios recientes realizados por científicos indios entre los residentes de la ciudad de Calcuta, se encontró que incluso en bajas concentraciones, el dióxido de carbono es un gas potencialmente tóxico. Los científicos concluyeron que el dióxido de carbono tiene una toxicidad cercana al dióxido de nitrógeno, teniendo en cuenta su efecto sobre la membrana celular y los cambios bioquímicos que ocurren en la sangre humana, como la acidosis. La acidosis prolongada, a su vez, provoca enfermedades del sistema cardiovascular, hipertensión, fatiga y otras consecuencias adversas para el cuerpo humano.
Los habitantes de una gran metrópoli están expuestos a la influencia negativa del dióxido de carbono desde la mañana hasta la noche. En primer lugar, en el transporte público abarrotado y en nuestros propios coches, que permanecen en atascos durante mucho tiempo. Luego en el trabajo, donde a menudo hace mucho calor y no se puede respirar.
Es muy importante mantener una buena calidad del aire en el dormitorio porque... la gente pasa allí un tercio de su vida. Para poder dormir bien por la noche, la calidad del aire en el dormitorio es mucho más importante que la duración del sueño, y el nivel de dióxido de carbono en los dormitorios y en las habitaciones de los niños debe ser inferior al 0,08%. Los niveles elevados de CO2 en estas zonas pueden provocar síntomas como congestión nasal, irritación de garganta y ojos, dolores de cabeza e insomnio.
Los científicos finlandeses han encontrado una manera de resolver este problema basándose en el axioma de que si en la naturaleza el nivel de dióxido de carbono es del 0,035-0,04%, en las habitaciones debería estar cerca de este nivel. El dispositivo que inventaron elimina el exceso de dióxido de carbono del aire interior. El principio se basa en la absorción (absorción) de dióxido de carbono por una sustancia especial.
