Круговорот углерода в атмосфере - Atmospheric carbon cycle

2011 углекислый газ мольная доля в тропосфера.

Атмосфера является одним из основных резервуаров углерода на Земле и важным компонентом глобального цикл углерода, содержащий примерно 720 гигатонн углерода.[1] Атмосферный углерод играет важную роль в парниковый эффект. Наиболее важным углеродным соединением в этом отношении является газ. углекислый газ (CO
2). Хотя это небольшой процент атмосферы (примерно 0,04% на коренной зуб основы), он играет жизненно важную роль в удержании тепла в атмосфере и, следовательно, в парниковом эффекте.[1] Другие газы, влияющие на климат, содержащие углерод в атмосфере: метан и хлорфторуглероды (последний полностью антропогенный ). Выбросы людей за последние 200 лет почти вдвое увеличили количество углекислого газа в атмосфере.[1][2]

Соответствующие газы

Часть серии о
Цикл углерода
Формы органического вещества. Webp
По регионам

Концентрация парниковых газов, в основном связанных с углеродом, резко возросла с начала индустриальная эпоха. Это делает очень важным понимание углеродного компонента атмосферы. Двумя основными углеродными парниковыми газами являются метан и диоксид углерода.[3]

Метан

Основная статья: Атмосферный метан

Метан (CH4) является одним из наиболее мощных парниковых газов и в основном образуется в результате переваривания или разложения биологических организмов. Считается вторым по значимости парниковым газом,[3] тем не менее, метановый цикл в атмосфере в настоящее время изучен плохо.[4] Количество метана, производимого и поглощаемого ежегодно, сильно различается.[3]

Большие запасы метана можно найти в виде метановый лед под вечной мерзлотой и на континентальных шельфах. Дополнительный метан производится анаэробный распад органического материала и производится в пищеварительном тракте организмов, почве и т. д. Производство природного метана составляет 10-30% мировых источников метана.[5]

Антропогенный метан производится различными способами, например: путем разведения скота или разложения мусора на свалках. Он также производится несколькими промышленными источниками, включая добычу и распределение ископаемого топлива.[4] Более 70% атмосферного метана поступает из биогенный источники. Уровень метана постепенно повышался с начала индустриальной эры,[6] от ~ 700 частей на миллиард в 1750 году до ~ 1775 частей на миллиард в 2005 году.[3]

Метан может быть удален из атмосферы в результате реакции фотохимически полученного гидроксил свободный радикал (ОН).[7][8] Он также может покидать атмосферу, попадая в стратосферу, где разрушается, или поглощаясь стоками почвы.[9] Поскольку метан довольно быстро реагирует с другими соединениями, он не остается в атмосфере так долго, как многие другие парниковые газы, например углекислый газ. Его время жизни в атмосфере составляет около восьми лет.[6] Это сохраняет концентрацию метана в атмосфере на относительно низком уровне и является причиной того, что в настоящее время он играет второстепенную роль в парниковом эффекте по сравнению с углекислым газом, несмотря на то, что он производит гораздо более мощный парниковый эффект на единицу объема.[4]

Углекислый газ

Основная статья: Углекислый газ в атмосфере

Углекислый газ (CO
2) оказывает сильное потепление на глобальные температуры через парниковый эффект. Хотя индивидуальный СО2 молекулы имеют короткий Время пребывания в атмосфере требуется очень много времени для снижения уровня углекислого газа после внезапного повышения, например, из-за извержения вулканов или деятельность человека[10] и среди многих парниковых газов с долгосрочным эффектом он является наиболее важным, поскольку составляет самую большую часть атмосферы.[3]Поскольку Индустриальная революция, сотрудничество2 концентрация в атмосфере выросла с 280 до почти 400 частей на миллион.[2] Хотя количество CO2 внесенные в атмосферу составляют лишь небольшую часть глобального углеродного цикла, длительное время пребывания диоксида углерода делает эти выбросы значимыми для общего углеродного баланса. Повышенная концентрация углекислого газа усиливает парниковый эффект, вызывая изменения в глобальном климат. Из увеличенного количества двуокиси углерода, ежегодно попадающего в атмосферу, приблизительно 80% приходится на сжигание ископаемого топлива и производство цемента. Остальные ~ 20% связаны с изменением землепользования и обезлесением.[11] Поскольку газообразный диоксид углерода не реагирует быстро с другими химическими веществами, основные процессы, которые изменяют содержание диоксида углерода в атмосфере, включают обмены с другими резервуарами углерода Земли, как объясняется в следующих разделах.

Взаимодействие с другими системами

Основная статья: Цикл углерода
Резервуары и потоки углерода
Основные глобальные резервуары углерода и потоки между ними.[12]

Атмосферный углерод быстро обменивается между океанами и земной биосферой. Это означает, что иногда атмосфера действует как сток, а иногда как источник углерода.[1] В следующем разделе представлены обмены между атмосферными и другими компонентами глобального углеродного цикла.

Земная биосфера

Основная статья: Земной биологический цикл углерода

Обмен углерода с земной биосферой происходит с различной скоростью. Он поглощается в форме углекислого газа автотрофы и преобразован в органические соединения. Углерод также выделяется из биосферы в атмосферу в ходе биологических процессов. Аэробного дыхания преобразует органический углерод в диоксид углерода и особый тип анаэробное дыхание превращает его в метан. После дыхания диоксид углерода и метан обычно выбрасываются в атмосферу. Органический углерод также выделяется в атмосферу во время горения.[12]

Время пребывания углерода в земной биосфере варьируется и зависит от большого количества факторов. Поглощение углерода биосферой происходит в различных временных масштабах. Углерод поглощается в основном во время роста растений. Наблюдается тенденция увеличения поглощения углерода как в течение дня (ночью поглощается меньше углерода), так и в течение года (зимой поглощается меньше углерода).[3] В то время как органическое вещество у животных обычно быстро разлагается, выделяя большую часть своего углерода в атмосферу через дыхание, углерод, хранящийся в виде мертвого растительного вещества, может оставаться в биосфере на протяжении десятилетия или более. Разные типы растений разлагаются с разной скоростью - например, древесные вещества сохраняют свой углерод дольше, чем мягкие листовые материалы.[13] Активный углерод в почвах может удерживаться до тысячи лет, в то время как инертный углерод в почвах может оставаться изолированным более тысячелетия.[12]

Океаны

Основная статья: Углеродный цикл океана

Ежегодно между океаном и атмосферой происходит обмен большого количества углерода. Основным фактором, регулирующим углеродный обмен между океаном и атмосферой, является термохалинная циркуляция. В районах океанического апвеллинга богатая углеродом вода из глубин океана выходит на поверхность и выделяет углерод в атмосферу в виде двуокиси углерода. В более высоких широтах в холодной воде растворяется большое количество углекислого газа. Эта вода опускается вниз и переносит углерод на более глубокие уровни океана, где он может оставаться от десятилетий до нескольких столетий.[1] События циркуляции океана делают этот процесс изменчивым. Например, во время Эль-Ниньо В результате наблюдается менее глубокий апвеллинг океана, что приводит к снижению выделения углекислого газа в атмосферу.[11]

Биологические процессы также приводят к углеродному обмену между океаном и атмосферой. Углекислый газ уравновешивает атмосферу и поверхностные слои океана. Так как автотрофы добавить или вычесть углекислый газ из воды через фотосинтез или дыхание, они изменяют этот баланс, позволяя воде поглощать больше углекислого газа или заставляя ее выделять углекислый газ в атмосферу.[1]

Геосфера

Обычно углеродный обмен между атмосферой и геосферой происходит очень медленно. Два исключения: извержения вулканов и горение ископаемое топливо, оба из которых очень быстро выделяют большое количество углерода в атмосферу.[нужна цитата ] Свежий силикатная порода который подвергается воздействию геологических процессов, поглощает углерод из атмосферы, когда он подвергается воздействию воздуха в результате процессов выветривание и эрозия.[нужна цитата ]

Антропогенные источники

В результате деятельности человека количество углерода в атмосфере изменяется непосредственно за счет сжигания ископаемого топлива и других органических материалов, таким образом окисляющий органический углерод и производство диоксида углерода.[14][15] Еще один антропогенный источник углекислого газа - это цемент производство. Сжигание ископаемого топлива и производство цемента являются основными причинами увеличения содержания CO в атмосфере.2 с начала индустриальной эры.[3]

Другие антропогенные изменения в атмосферном углеродном цикле связаны с антропогенными изменениями углеродных резервуаров. Обезлесение, например, снижает способность биосферы поглощать углерод, тем самым увеличивая количество углерода в атмосфере.[16]

Поскольку промышленное использование углерода людьми - это совершенно новая динамика в геологическом масштабе, важно иметь возможность отслеживать источники и поглотители углерода в атмосфере. Один из способов сделать это - наблюдать за долей стабильного углерода изотопы присутствует в атмосфере. Два основных изотопа углерода: 12C и 13C. Растения поглощают более легкий изотоп, 12C, охотнее, чем 13С.[17] Поскольку ископаемое топливо происходит в основном из растительного сырья, 13C /12Коэффициент C в атмосфере падает, когда сжигается большое количество ископаемого топлива, высвобождая 12C. И наоборот, увеличение 13C /12C в атмосфере предполагает более высокое поглощение углерода биосферой.[12] Соотношение годового прироста атмосферного CO2 по сравнению с CO2 Выбросы от ископаемого топлива и производимого цемента называют «воздушной фракцией».[18] Доля переносимого по воздуху составляла около 60% с 1950-х годов, что указывает на то, что около 60% нового двуокиси углерода в атмосфере каждый год происходит от людей.[3] Для ясности, это не означает, что 60% поглощения углекислого газа в атмосферу происходит в результате деятельности человека. Это означает, что атмосфера ежегодно обменивает около 210 гигатонн углерода, но поглощает на 6-10 гигатонн больше, чем теряет. Из этой чистой прибыли около 60% приходится на сжигание ископаемого топлива.

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж Falkowski, P .; Scholes, R.J .; Boyle, E .; Canadell, J .; Canfield, D .; Elser, J .; Gruber, N .; Hibbard, K .; Högberg, P .; Linder, S .; MacKenzie, F.T .; Мур Б., 3 .; Pedersen, T .; Rosenthal, Y .; Зейтцингер, S .; Сметачек, В .; Штеффен, В. (2000). «Глобальный углеродный цикл: проверка наших знаний о Земле как системе». Наука. 290 (5490): 291–296. Bibcode:2000Sci ... 290..291F. Дои:10.1126 / science.290.5490.291. PMID  11030643.CS1 maint: числовые имена: список авторов (ссылка на сайт)
  2. ^ а б Загар, Питер; Килинг, Ральф. «Тенденции в двуокиси углерода». Лаборатория исследования системы Земля NOAA.
  3. ^ а б c d е ж г час Forster, P .; Ramawamy, V .; Artaxo, P .; Berntsen, T .; Betts, R .; Fahey, D.W .; Haywood, J .; Lean, J .; Лоу, округ Колумбия; Myhre, G .; Nganga, J .; Prinn, R .; Raga, G .; Schulz, M .; Ван Дорланд, Р. (2007), «Изменения в атмосферных составляющих и радиационном воздействии», Изменение климата 2007: Физическая основа. Вклад Рабочей группы I в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата
  4. ^ а б c Prather, M .; и другие. (2001), «Химия атмосферы и парниковые газы», Изменение климата 2001: научная основа. Вклад Рабочей группы I в Третий доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата
  5. ^ Keppler, F .; Hamilton, J. T. G .; Латунь, M .; Рёкманн, Т. (2006). «Выбросы метана наземными растениями в аэробных условиях». Природа. 439 (7073): 187–191. Bibcode:2006Натура 439..187K. Дои:10.1038 / природа04420. PMID  16407949. S2CID  2870347.
  6. ^ а б Центр, Информация о глобальных системах наблюдений (2011 г.). «Состав атмосферы GCOS ECV: метан (CH4) и другие долгоживущие парниковые газы». Архивировано из оригинал на 2012-03-08. Получено 2012-06-04.
  7. ^ Platt, U .; Allan, W .; Лоу, Д. (2004). "Средняя концентрация атомов Cl в полушарии от 13C /12Соотношение C в атмосферном метане ». Атмосферная химия и физика. 4 (9/10): 2393. Дои:10.5194 / acp-4-2393-2004.
  8. ^ Allan, W .; Lowe, D.C .; Gomez, A.J .; Struthers, H .; Брейлсфорд, Г. В. (2005). «Межгодовые колебания 13C в тропосферном метане: последствия для возможного стока атомарного хлора в морском пограничном слое». Журнал геофизических исследований. 110 (D11): D11306. Bibcode:2005JGRD..11011306A. Дои:10.1029 / 2004JD005650.
  9. ^ Родился, М .; Dorr, H .; Левин, И. (1990). «Потребление метана в аэрированных почвах умеренной зоны». Теллус Б. 42 (1): 2–8. Bibcode:1990TellB..42 .... 2B. Дои:10.1034 / j.1600-0889.1990.00002.x.
  10. ^ Инман, М. (2008). «Углерод - это навсегда». Природа сообщает об изменении климата. 1 (812): 156–158. Дои:10.1038 / климат.2008.122.
  11. ^ а б Денман, Кеннет; Брассер, Гай; Chidthaisong, A .; Ciais, P .; Cox, P .; Дикинсон, Р ..; Hauglustaine, D .; Heinze, C .; Holland, E .; Джейкоб, Д .; Lohmann, U .; Ramachandran, S .; da Silva Dias, P .; Wofsy, S .; Чжан, X. (2007), "Связь между изменениями в климатической системе и биогеохимии", Изменение климата 2007: Физическая основа. Вклад Рабочей группы I в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата
  12. ^ а б c d Prentice, I.C .; и другие. (2001). «Круговорот углерода и углекислый газ в атмосфере» (PDF). Изменение климата 2001: научная основа. Вклад Рабочей группы I в Третий доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата: 184–238. Получено 2020-06-20.
  13. ^ Краткая экологическая инженерия. Книжная книга. ISBN  978-87-403-0197-7.
  14. ^ Van Der Werf, G.R .; Randerson, J. T .; Collatz, G.J .; Giglio, L .; Kasibhatla, P. S .; Ареллано-младший, А. Ф .; Olsen, S.C .; Касишке, Э. С. (2004). «Разделение выбросов пожаров в континентальном масштабе в период Эль-Ниньо / Ла-Нина с 1997 по 2001 год» (PDF). Наука. 303 (5654): 73–76. Bibcode:2004Научный ... 303 ... 73В. Дои:10.1126 / science.1090753. PMID  14704424. S2CID  21618974.
  15. ^ Andreae, M.O .; Мерле, П. (2001). «Выбросы микрогазов и аэрозолей при сжигании биомассы». Глобальные биогеохимические циклы. 15 (4): 955. Bibcode:2001GBioC..15..955A. Дои:10.1029 / 2000GB001382.
  16. ^ Хоутон, Р. А. (2003). «Пересмотренные оценки годового чистого потока углерода в атмосферу от изменений в землепользовании и землепользовании 1850-2000». Теллус Б. 55 (2): 378–390. Bibcode:2003TellB..55..378H. Дои:10.1034 / j.1600-0889.2003.01450.x.
  17. ^ Nakazawa, T .; Morimoto, S .; Aoki, S .; Танака, М. (1997). «Временные и пространственные вариации отношения изотопов углерода в атмосферном углекислом газе в западной части Тихого океана». Журнал геофизических исследований. 102 (D1): 1271–1285. Bibcode:1997JGR ... 102.1271N. Дои:10.1029 / 96JD02720.
  18. ^ Keeling, C.D .; Whorf, T. P .; Wahlen, M .; Ван дер Plichtt, J. (1995). «Межгодовые экстремальные темпы роста содержания двуокиси углерода в атмосфере с 1980 года». Природа. 375 (6533): 666. Bibcode:1995Натура.375..666K. Дои:10.1038 / 375666a0. S2CID  4238247.

внешние ссылки