Содержание углекислого газа в атмосфере земли. Выводы и выходы

Химический состав

Атмосфера Земли возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H 2 O) и углекислого газа (CO 2).

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SO 2 , NH 3 , СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I 2 , а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

Углекислый газ в атмосфере Земли , по состоянию на 2011 год, представлен в количестве 392 ppm или 0,0392 %. Роль углекислого газа (CO 2 , двуокись или диоксид углерода ) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании процесса фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, двуокись углерода в воздухе оказывает влияние на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучамое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты.

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива, происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Впервые антропогенное влияние на концентрацию двуокиси углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп её роста увеличивался и в конце 2000-х происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO 2 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет.

Роль в парниковом эффекте

Несмотря на относительно небольшую концентрацию в воздухе, CO 2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим - асимметричное растяжение молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту. Текущее изменение концентрации атмосферного CO 2 сказывается в полосах поглощения, где его современное влияние на спектр переизлучения Земли приводит только к частичному поглощению.

Кроме парниковых свойств двуокиси углерода, также имеет значение тот факт, что она является более тяжелым газом по сравнению с воздухом. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO 2 - 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности.

В целом, увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты. Данный газ также обладает уникальным свойством долговременного воздействия на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остается в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, существуют в свободном состоянии в атмосфере на протяжении более короткого времени.

Источники углекислого газа

К естественным источникам двуокиси углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (Аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO 2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO 2 приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путем их сжигания в факелах.

Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.

Антропогенная эмиссия

Эмиссия углерода в атмосферу в результате пром. активности в 1800 – 2004 гг.

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов двуокиси углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO 2 . В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами. Соотношение увеличения количества CO 2 в атмосфере ко всему выделенному CO 2 составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает коротко­период­ические колебания и колебания с периодом в пять лет.

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO 2 , вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO 2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн. Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферной двуокиси углерода эквивалентную сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990). Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO 2 , что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO 2 . Как результат, двуокись углерода постепенно аккумулировалась в атмосфере и в 2009 году её концентрация на 39 % превосходила доиндустриальное значение.

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO 2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

Очень велика. Углекислый газ принимает участие в образовании всего живого вещества планеты и вместе с молекулами воды и метана создает так называемый «оранжерейный (парниковый) эффект».

Значение углекислого газа (CO 2 , двуокись или диоксид углерода ) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании процесса фотосинтеза, который осуществляется растениями .

Являясь парниковым газом , двуокись углерода в воздухе оказывает влияние на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучамое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании .

В последнее время наблюдается увеличение концентрации углекислого газа в воздухе, что ведет к .

Углерод (С) в атмосфере содержится в основном в виде углекислого газа (СО 2) и в небольшом количестве в виде метана (СН 4), угарного газа и других углеводородов.

Для газов атмосферы применяют понятие «время жизни газа». Это время, за которое газ полностью обновляется, т.е. время, за которое в атмосферу поступает столько же газа, сколько в нем содержится. Так вот, для углекислого газа это время составляет 3-5 лет, для метана - 10-14 лет. СО окисляется до СО 2 в течение нескольких месяцев.

В биосфере значение углерода очень велико, так как он входит в состав всех живых организмов. В пределах живых существ углерод содержится в восстановленном виде, а вне пределов биосферы - в окисленном. Таким образом, формируется химический обмен жизненного цикла: СО 2 ↔ живое вещество.

Источники углерода в атмосфере.

Источником первичной углекислоты являются , при извержении которых в атмосферу выделяется огромное количество газов. Часть этой углекислоты возникает при термическом разложении древних известняков в различных зонах метаморфизма.

Также углерод поступает в атмосферу в виде метана в результате анаэробного разложения органических остатков. Метан под воздействием кислорода быстро окисляется до углекислого газа. Основными поставщиками метана в атмосферу являются тропические леса и .

В свою очередь углекислый газ атмосферы является источником углерода для других геосфер - , биосферы и .

Миграция СО 2 в биосфере.

Миграция СО 2 протекает двумя способами:

При первом способе СО 2 поглощается из атмосферы в процессе фотосинтеза и участвует в образовании органических веществ с последующем захоронением в в виде полезных ископаемых: торфа, нефти, горючих сланцев.

При втором способе углерод участвует в создании карбонатов в гидросфере. СО 2 переходит в Н 2 СО 3 , НСО 3 -1 , СО 3 -2 . Затем с участием кальция (реже магния и железа) происходит осаждение карбонатов биогенным и абиогенным путем. Возникают мощные толщи известняков и доломитов. По оценке А.Б. Ронова, соотношение органического углерода (С орг) к углероду карбонатному (С карб) в истории биосферы составляло 1:4.

Каким образом осуществляется геохимический круговорот углерода в природе и как углекислый газ возвращается снова в атмосферу

1. Основной источник поступления углекислого газа в атмосферу - сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа) для производства энергии. Около 80% всей энергии в мире производится за счет тепловой энерге­тики. Поступление углекислого газа в атмосферу за период с 1860 по 1990 г. увеличивалось в среднем на 0,4% в год. В течение 1980-х годов оно состав­ляло 5,5 + 0,5 млрд. т углерода в год.

2. Сокращение лесов тропического и экваториального поясов, деградация почв, другие антропогенные трансформации ландшафтов приводят в основ­ном к высвобождению углерода, которое сопровождается его окислением, т.е. образованием СО 2 . В целом эмиссия в атмосферу за счет преобразова­ния тропических ландшафтов составляет 1,6 ± 1,0 млрд. т углерода. С дру­гой стороны, в умеренных и высоких широтах Северного полушария отме­чается, в целом, преобладание восстановления лесов над их исчезновением. Для построения органического вещества лесов в процессе фотосинтеза уг­лекислый газ забирается из атмосферы. Это количество, в пересчете на уг­лерод, равно 0,5 ± 0,5 млрд. т. Пределы точности, равные самой величине, указывают нам также на все еще низкий уровень понимания антропогенной роли в некоторых звеньях глобального биогеохимического цикла углерода.

3. В атмосфере в результате деятельности человека ежегодно дополнитель­но накапливается 3,3 ± 0,2 млрд. т углерода в виде углекислого газа.

4. Мировой океан поглощает из атмосферы (растворяет, химически и био­логически связывает) около 2,0 ± 0,8 млрд. т углерода в виде углекислого газа. Суммарные величины поглощения углекислого газа океаном пока не­посредственно не измеряются. Они рассчитываются на основе моделей, описывающих обмен между атмосферой, поверхностным и глубинным сло­ями океана.

Увеличение концентрации СО 2 в атмосфере должно стимулировать процесс фотосинтеза. Это так называемая фертилиза­ция, благодаря которой, по некоторым о кого вещества может возрасти на 20-40% при удвоенной по сравнению с современной концентрацией углекислого газа. В балансе антропогенных потоков углерода все пока еще плохо по­нимаемые процессы, протекающие в экосистемах суши, включая фертилизацию, оцениваются в 1,3±1,5 млрд. т.

Метан (СН 4 ) также играет заметную роль в парниковом эффекте, составляя приблизительно 19% от общей его величины (на 1995 г.). Метан образуется в анаэробных условиях, таких как естественные бо­лота разного типа, толща сезонной и вечной мерзлоты, рисовые планта­ции, свалки, а также в результате жизнедеятельности жвачных живот­ных и термитов.

Оценки показывают, что около 20% суммарной эмис­сии метана связаны с технологией использования горючих ископаемых (сжигание топлива, эмиссии из угольных шахт, добыча и распределение природного газа, переработка нефти). Всего антропогенная деятельность обеспечивает 60-80% суммарной эмиссии метана в атмосферу. В атмосфере метан неустойчив . Он удаляется из нее вследствие вза­имодействия с ионом гидроксила (ОН) в тропосфере. Несмотря на этот процесс, концентрация метана в атмосфере увеличилась примерно вдвое по сравнению с доиндустриальным временем и продолжает расти со скоростью около 0,8% в год.

Оксид азота. Текущая роль оксида азота (N 2 О) в суммарном парниковом эффек­те составляет всего около 6%. Концентрация оксида азота в атмосфере также увеличивается. Предполагается, что его антропогенные источники приблизительно вдвое меньше естественных. Источниками антро­погенного оксида азота является сельское хозяйство (в особенности паст­бища в тропиках), сжигание биомассы и промышленность, производя­щая азотсодержащие вещества. Его относительный парниковый потен­циал (в 290 раз выше потенциала углекислого газа) и типичная продолжительность существования в атмосфере (120 лет) значитель­ны, компенсируя его относительно невысокую концентрацию.

Хлорфторбромуглероды (ХФУ) - это вещества, синтезируемые че­ловеком и содержащие хлор, фтор и бром. Они обладают очень силь­ным относительным парниковым потенциалом и значительной продол­жительностью жизни в атмосфере. Их итоговая роль в парниковом эффекте составляет на середину 1990-х годов приблизительно 7%.

Озон (0 3) - важный парниковый газ, находящийся как в страто­сфере, так и в тропосфере.

Аэрозоли - это твердые частицы в атмосфере диаметром несколько микрон. Они образуются вследствие вет­ровой эрозии почвы, извержений вулканов и других природных про­цессов, а также благодаря деятельности человека (сжигание горючих ис­копаемых и биомассы).

В отличие от парниковых газов, типичный срок существования аэро­золей в атмосфере не превышает нескольких дней. Поэтому их радиа­ционный потенциал быстро реагирует на рост эмиссии загрязнений и столь же быстро сокращается. В отличие от глобального воздействия газов с парниковым эффек­том, влияние атмосферных аэрозолей является локальным. Географи­ческое распространение сульфатных аэрозолей в воздухе в основном со­впадает с промышленными районами мира. Именно там локальный ох­лаждающий эффект аэрозолей может значительно уменьшить и даже свести практически на нет глобальный парниковый эффект. Извержения вулканов - нерегулярный, но существенный фактор об­разования высоких концентраций аэрозольных частиц, вызывающих за­держку солнечной радиации у земли и поэтому заметные похолодания. Катастрофический взрыв вулкана Тамбора в 1815 г. в Индонезии привел к заметному снижению температуры воздуха во всем мире в течение трех последующих лет.

Гидроклиматические последствия антропогенного

Парникового эффекта.

Накопление парниковых газов в атмосфере и последующее усиле­ние парникового эффекта приводят к повышению температуры призем­ного слоя воздуха и поверхности почвы. За последние сто лет средняя мировая температура повысилась приблизительно на 0,3-0,6°С. В осо­бенности заметный рост температуры происходил в последние годы, начиная с 1980-х годов, которые были самым теплым десятилетием за весь период инструментальных наблюдений. Анализ глобальных дан­ных по температурам воздуха позволил сделать обоснованный вывод о том, что наблюдаемый рост температуры обусловлен не только естествен­ными колебаниями климата, но и деятельностью человека. Можно по­лагать, что прогрессирующее антропогенное накопление парниковых газов в атмосфере приведет к дальнейшему усилению парникового эф­фекта. Оценки ожидаемых изменений климата обычно производятся на основе использования глобальных моделей циркуляции атмосферы . Однако точность моделей все еще не высока даже для расчетов на глобальном уровне. Прогноз же изменений по регионам мира, чрезвы­чайно важный для практических целей, пока еще вряд ли надежен. Кро­ме того, необходимо учитывать возможные изменения в деятельности человека, осознанные или неосознанные, приводящие к изменениям в накоплении парниковых газов, а значит, и к последующим изменени­ям парникового эффекта.

Эти обстоятельства учитываются посредством сценариев.

1. В соответствии со сценарием наиболее вероятной величины эмис­сии парниковых газов, средняя мировая температура приземного слоя воздуха за период с 1990 по 2100 г. увеличится приблизительно на 2°С. По сценариям низкой и высокой эмиссии рост температуры составит соответственно 1°С и 3,5°С. Вследствие термической инерции океанов средняя температура воз­духа будет повышаться и после 2100 г., даже если концентрация парни­ковых газов к этому времени стабилизируется.

2. При удвоении содержания углекислого газа в атмосфере по сравне­нию с прединдустриальным периодом повышение температуры воздуха в различных регионах будет в пределах между 0,6°С и 7°С . Суша будет нагреваться больше, чем океаны. Наибольшее повышение температуры ожидается в арктических и субарктических поясах, в особенности зи­мой, в основном вследствие сокращения площади морского льда.

3. Рост температуры воздуха будет сопровождаться увеличением ко­личества осадков, хотя картина пространственного распределения осад­ков будет более пестрой, чем распределение температуры воздуха. Ва­риация изменения осадков будет находиться в пределах от -35% до +50%. Надежность оценки изменений влажности почвы, что столь важ­но для сельского хозяйства, также значительно ниже, чем оценки изме­нения температуры воздуха.

4. Относительно небольшие изменения сред­них показателей климата будут, по всей вероятности, сопровождаться повышением частоты редких катастрофических событий , таких как тро­пические циклоны, штормы, засухи, экстремальные температуры воз­духа и пр. Событие масштаба всего голоцена - катастрофическое цуна­ми, обрушившееся на северные берега Индийского океана 26 декабря 2005 г. и унесшее 250-400 тыс. чел.

5. В последнее столетие происходил неуклонный рост среднего уров­ня Мирового океана , составивший 10-25 см. Основные причины роста уровня океана - термическое расширение воды вследствие ее нагрева­ния из-за потепления климата, а также дополнительный приток воды вследствие сокращения горных и небольших полярных ледников. Эти же факторы будут работать и в дальнейшем, с постепенным подключе­нием в более отдаленном будущем талых вод Гренландского, а затем и Антарктического ледниковых щитов. Ожидается, что уровень Мирового океана поднимется к 2100 г. на 50 см, а с учетом неопределенности при­рост уровня ожидается в пределах от 20 до 86 см. Уровень океана будет продолжать расти в течение нескольких столетий после 2100 г., даже если концентрация парниковых газов стабилизируется. Рост уровня океана вызовет серьезные естественные и социально-экономические про­блемы в прибрежных зонах морей и океанов.

> Концентрация углекислого газа

Ученые уже давно подозревают, что повышенная концентрация углекислого газа в атмосфере имеет прямое отношение к глобальному потеплению, но, как оказалось, углекислый газ может иметь непосредственное отношение и к нашему здоровью. Человек является основным источником образования углекислого газа в помещении, поскольку мы выдыхаем от 18 до 25 литров этого газа в час. Высокий объем углекислого газа может наблюдаться во всех помещениях, где находятся люди: в школьных классах и институтских аудиториях, в комнатах для совещаний и офисных помещениях, в спальнях и детских комнатах.

То, что нам не хватает кислорода в душном помещении, – это миф. Расчеты показывают, что вопреки существующему стереотипу, головная боль, слабость, и другие симптомы возникают у человека в помещении не от недостатка кислорода, а именно от высокой концентрации углекислого газа.

Еще недавно в Европейских странах и США уровень объема углекислого газа в помещении измеряли только для того, чтоб проверить качество работы вентиляции, и считалось, что СО2 опасен для человека только в больших концентрациях. Исследования же о влиянии на организм человека углекислого газа в концентрации приблизительно 0,1% появились совсем недавно.

Мало кто знает, что чистый воздух за городом содержит около 0,04% углекислого газа, и, чем ближе содержание СО2 в помещении к этой цифре, тем лучше чувствует себя человек.

Осознаем ли мы влияния плохого качества воздуха в помещение на наше здоровье и здоровье наших детей? Понимаем ли мы, как влияет высокое содержание углекислого газа в помещении на нашу работоспособность и на успеваемость учащихся? Можем ли мы понять, почему мы и наши дети такие усталые в конце рабочего дня? В состоянии ли мы решить проблему нашей утренней усталости и раздражительности, а так же плохого ночного сна?

Группой Европейских ученых были проведены исследования того, как влияет высокий (приблизительно 0,1-0,2%) уровень углекислого газа в классах на организм школьников. Исследования показали, что больше половины школьников регулярно испытывают на себе негативное влияние высокого уровня СО2, и следствием этого является то, что проблемы с дыхательной системой, ринит и слабая носоглотка у таких детей наблюдаются гораздо чаще, чем у других детей.

В результате исследований, проведенных в Европе и США было выявлено, что повышенный уровень СО2 в классе ведет к снижении внимания школьников, к ухудшению успеваемости, а так же к увеличению числа пропусков уроков по болезни. Особенно это касается детей, которые больны астмой.

В России подобные исследования никогда не проводились. Однако, в результате комплексного обследования московских детей и подростков в 2004-2004 гг. оказалось, что среди обнаруженных болезней у юных москвичей преобладают заболевания органов дыхания.

В результате недавних исследований, проведенных индийскими учеными среди жителей города Калькутта, выяснено, что даже в низких концентрациях углекислый газ является потенциально токсичным газом. Ученые сделали вывод, что углекислый газ по своей токсичности близок к двуокиси азота, принимая во внимание его воздействие на клеточную мембрану и биохимические изменения, происходящие в крови человека, такие, как ацидоз. Длительный ацидоз в свою очередь приводит к заболеванию сердечнососудистой системы, гипертонии, усталости и другим неблагоприятным для человеческого организма последствиям.

Жители крупного мегаполиса подвергаются негативному влиянию углекислого газа с утра до вечера. Сначала в переполненном общественном транспорте и в собственных автомобилях, которые подолгу стоят в пробках. Затем на работе, где часто бывает душно и нечем дышать.

Очень важно поддерживать хорошее качество воздуха в спальне, т.к. люди проводят там треть своей жизни. Для того, чтоб хорошо выспаться гораздо важнее качественный воздух в спальне, чем продолжительность сна, а уровень углекислого газа в спальнях и детских комнатах должен быть ниже 0,08%. Высокий уровень СО2 в этих помещениях может явиться причиной таких симптомов, как заложенность носа, раздражение горла и глаз, головной боли и бессонницы.

Финские ученые нашли способ решения этой проблемы исходя из аксиомы, что если в природе уровень углекислого газа составляет 0,035-0,04%, то и в помещениях он должен быть приближен к этому уровню. Изобретенное ими устройство удаляет из воздуха помещений избыток углекислого газа. Принцип основан на абсорбции (поглощении) углекислого газа специальным веществом.