Углеродный цикл и изменение климата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 полураспала 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.

 

Атмосферный углекислый газ.

 

      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 343 1 млн .

 

 

 

 

 

 

Перемешивание в атмосфере.

 

      Перемешивание воздуха  в тропосфере происходит довольно  быстро. Пассаты в средних широтах в обоих полушариях огибают Землю в среднем примерно за один месяц, вертикальное перемещение между земной поверхностью и тропопаузой (на высоте от 12 до 16 км) также происходит в течение месяца, перемешивание в направлении с севера на юг в пределах полушария происходит приблизительно за три месяца, а эффективный обмен между двумя полушариями осуществляется примерно за год. Поскольку в данной работе рассматриваются процессы, изменения которых происходят за время порядка нескольких лет, десятилетий и столетий, можно считать, что тропосфера в любой момент времени хорошо перемешана. Это предположение основано на том, что средние годовые значения концентрации для высоких северных и высоких южных широт отличаются только на 1,5-2,0 млн . В северном полушарии концентрация выше, чем в южном. Различие концентраций в северном и южном полушариях, вероятно, вызвано тем, что около 90% источников промышленных выбросов расположено в северном полушарии. За последние десятилетия эта разница увеличилась, поскольку потребление ископаемого топлива также возросло.

      Обмен между стратосферой  и тропосферой происходит значительно медленнее, чем в тропосфере, поэтому сезонные колебания концентрации атмосферного углекислого газа выше тропопаузы быстро уменьшаются. В стратосфере рост концентрации значительно запаздывает по сравнению с её ростом в тропосфере. Так, согласно измерениям, концентрации на высоте 36 км примерно на 7 млн меньше, чем на уровне тропопаузы (т.е. на высоте    15 км). Это соответствует времени перемешивания между стратосферой и тропосферой, равному 5-8 годам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Газообмен в системе атмосфера - океан.

 

Скорость газообмена.

 

      В стационарном  состоянии, существовавшем в доиндустриальное время, более 90% содержащегося на Земле изотопа находилось в морской воде и донных отложениях (содержание в последних составляет всего несколько процентов). Существовал примерный баланс между переносом из атмосферы в океан и радиоактивным распадом внутри океана. Средний глобальный обмен между атмосферой и океаном можно определить путём измерения разности содержания в углекислом газе атмосферы и растворённом в поверхностном слое океана. Данные наблюдений за уменьшением концентрации в атмосфере и её увеличением в поверхностных водах океана после проведения испытаний ядерного оружия дают ещё одну возможность определить скорость газообмена. Третий способ оценки скорости газообмена между атмосферой и океаном заключается в измерении отклонения от состояния равновесия между и , обусловленного поступлением из океана в атмосферу. Средняя скорость газообмена между атмосферой и океаном при концентрации в атмосфере 300 млн , полученная на основе этих трёх способов, равна 18 5 моль/(м год). Это означает, что среднее время пребывания в атмосфере равно 8,5 2 лет. Скорость газообмена на границе раздела между атмосферой и океаном зависит от состояния поверхности океана, от скорости ветра и волнения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Буферные свойства карбонатной  системы.

 

      При растворении  в морской воде происходит реакция гидратации с образованием угольной кислоты , которая в свою очередь диссоциирует на ионы . Карбонатная система определяется суммарной концентрацией растворённого неорганического углерода ( ); полным содержанием боратов ( В); щелочным резервом (А); кислотностью (pH); парциальным давлением расворённого углекислого газа ,  которое при условии равновесия с атмосферой равно парциальному давлению в атмосфере. При поглощении морской водой щёлочность остаётся неизменной, а образование и разложение органических и неорганических соединений приводит к изменению как , так и А. Карбонатная система имеет следующие основные особенности:

1. Растворимость в морской воде и соответственно концентрация суммарного углерода, находящегося в равновесии с атмосферным при заданном значении концентрации последнего, зависят от температуры.
2. Обмен между газовой фазой и раствором зависит от так называемого буферного фактора, который также называют фактором Ревелла.

Растворимость и буферный фактор увеличиваются при понижении  температуры. Так как изменение  парциального давления углекислого газа в направлении от полюса к экватору невелико, в среднем переносится из атмосферы в океан в высоких широтах и в противоположном направлении в низких, хотя наблюдаются  отклонения от этой упрощённой картины вследствие того, что в результате апвеллинга из глубинных слоёв океана к поверхности приносятся обогащённые углекислым газом воды. Буферный фактор имеет величину порядка 10 и увеличивается с ростом значений . Это означает, что чувствительно к довольно малым изменениям в воде. При сохранении равновесия в системе атмосфера - поверхностные воды океана изменение концентрации в атмосфере примерно на 25% в течение последних 100 лет вызовет изменение содержания суммарного расворённого неорганического углерода в поверхностных водах только на 2-2,5%. Таким образом, способность океана поглощать избыточный атмосферный в 10 раз меньше той, которую можно было бы ожидать исходя из сравнения размеров природных резервуаров углерода.

 

 

 

 

Углерод в  морской воде.

 

Полное содержание углерода и щёлочность.

 

      Как  показали исследования, содержание  суммарного неорганического углерода в океане в 1983 году более, чем в 50 раз превышало содержание в атмосфере. Кроме того, в океане находятся значительные количества растворённого органического углерода. Вертикальное распределение не является однородным, его концентрации в глубинных слоях океана выше, чем в поверхностных. Наблюдается также увеличение концентрации от довольно низких значений в глубинных водах Северного Ледовитого океана к более высоким значениям в глубинных водах Атлантического океана, к ещё более высоким в Южном и Индийском океанах до максимальных В Тихом океане. Вертикальное распределение щёлочности очень похоже на распределение , однако пределы изменений щёлочности значительно меньше и составляют примерно 30% изменений . Интересно отметить, что поверхностные концентрации 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 полностью  ограничена поверхностными слоями океана, где происходит интенсивный фотосинтез в фотической зоне и бактериальное разложение, которое сосредоточено главным образом также в верхнем стометровом слое океана. По-видимому, только около 10% первичной продукции в виде мёртвой органики в основном в форме фекальных пеллет и остатков организмов достигает более глубоких слоёв океана, и, вероятно, около 1% этого вещества откладывается на океаническом дне. Полная первичная продуктивность океана составляет около г С/год, но скорость фотосинтеза на единицу площади значительно изменяется: от 0,5 г

С/(м сутки) и более в зонах интенсивного апвеллинга до менее 10% этого значения в пустынных областях океана, которые характеризуются даунвеллингом и недостатком питательных веществ. Фотосинтез зависит от доступного количества питательных веществ. Везде, где достаточно света, питательные вещества расходуются быстро. Отсутствие азота и фосфора чаще всего лимитирует скорость образования первичной продукции. Однако в высоких широтах, особенно в Южном океане, наличие сравнительно больших концентраций как азота, так и фосфора в поверхностных водах указывает на то, что какой-то другой фактор (вероятно, освещённость) лимитирует первичную продуктивность.

      В процессе  образования первичной продукции,  включающей как органические, так  и неорганические соединения  углерода, концентрация уменьшается. Влияние этого процесса на щёлочность может быть различным. Каждый использованный при образовании органического вещества микромоль углерода увеличивает щёлочность примерно на 0,16 мкэкв, а когда углерод используется для образования , она уменьшается на 2 мкэкв. Таким образом, различия в пространственном распределении и щёлочности содержат информацию об относительных значениях продукции и разложения или растворения органического и неорганического вещества в океане. Несомненно, что увеличение концентрации атмосферного создаёт поток из атмосферы в океан, который в свою очередь должен был изменить доиндустриальное распределение в верхних слоях океана.

 

 

Донные осадки 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 окисления и значительные количества органического углерода захороняются в осадках. Области с бескислородными условиями увеличиваются вследствие загрязнения прибрежных вод, и в последние годы, вероятно, количество легко окисляемого органического вещества также увеличилось. Выше лизокнина океанические воды пересыщены по отношению к , уровень лизокнина в Атлантическом океане расположен на глубине 4000 м, а в Тихом - всего лишь на глубине 1000 м. Над лизокнином не происходит сколько-нибудь заметного растворения , в то время как на больших глубинах его растворение приводит к уменьшению выпадения в осадок, а ниже глубины карбонатной компенсации осаждения не происходит совсем. Так как толщина верхнего осадочного слоя, в котором происходит перемешивание осадков организмами, живущими на дне океана (биотурбация), составляет примерно 10 см, значительное количество углерода ( г) в форме медленно обменивается с неорганическим углеродом морской воды, главным образом на глубине лизокнина.

      Содержание  изотопа  в океанических осадках довольно быстро убывает с глубиной, что даёт возможность определить скорость осадконакопления (она значительно изменялась со времени последнего оледенения). Тем не менее полное содержание в осадках мало по сравнению с его содержанием в атмосфере, биосфере и океанах.

 

 

 

 

 

 

 

Процессы переноса в океанах.

 

      Вследствие  буферных свойств карбонатной  системы, изменение концентрации  растворённого суммарного неорганического углерода в морской воде, необходимое для достижения состояния равновесия 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 45 с. - 45 ю. 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 Уэдделла). 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) происходит крупномасштабный перенос холодных поверхностных вод в область главного термоклина (глубина 100-1000 м). В слое термоклина происходит 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. При движении водной массы его содержание обычно возрастает за счёт поступления углекислого газа при разложении и растворении детрита, опускающегося из поверхностного слоя океана. Возникающее в результате увеличение содержания суммарного растворённого неорганического углерода можно вычислить, принимая во внимание сопутствующий рост содержания питательных веществ и щёлочности. Однако, таким способом нельзя достаточно точно определить значения концентрации для времени, когда происходило образование глубинных вод. Как было отмечено ранее, стационарное распределение в океанах обеспечивает примерный баланс между переносом, направленным в глубину (поток детрита), и переносом, направленным к поверхности (перемешивание и апвеллинг из глубоких слоёв с большими концентрациями ). При поглощении антропогенного океаном поток растворённого неорганического углерода из глубинных слоёв к поверхностным уменьшается из-за повышения концентрации в поверхностных слоях океана, но при этом направленный вниз поток детрита остаётся неизменным. Справедливость этого предположения подтверждает тот факт, что первичная продуктивность в поверхностном слое океана обычно лимитируется наличием питательных веществ. Однако питательные вещества не являются лимитирующим фактором для продуктивности в основных зонах апвеллинга, расположенных в южной части Антарктического циркумполярного течения в широтном поясе 55-60 ю.ш. Это обстоятельство указыавет на то, что имеются другие факторы, лимитирующие рост фитопланктона в таких широтах: например, приходящая радиация, определяющая распространение границ морского льда в северные широты весной и ранним летом южном полушарии. При других климатических режимах факторы, лимитирующие продуктивность, могут быть совершенно иными. Соответственно может изменяться и глобальный углеродный цикл.