Углеродный цикл и изменения климата

| Категория реферата: Рефераты по естествознанию
| Теги реферата: шпаргалки по экономическому, торговля реферат
| Добавил(а) на сайт: Свирид.

1.сезонными изменениями цикла фотосинтеза рас- тений на суше;

2.на него также влияет, хотя и меньшей степени, годовой ход температуры поверхности океана, от которого зависит растворимость [pic] в морс- кой воде;

3.и,вероятно, наименее важным фактором является годовой ход интенсивности фотосинтеза в океане. Среднее за каждый данный год со-держание [pic] в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники поступления [pic] в атмосферу расположены преимущественно в северном полушарии. Кроме того, наблюдаются небольшие меж-годовые изменения содержания [pic], которые, ве- роятно, определяются особенностями общей цирку-ляции атмосферы. Из имеющихся данных по изменению концентрации [pic] в атмосфере основное значение,к сожалению, имеют данные о наблюдаемом в течение последних 25 лет регулярном росте содержания атмо-сферного [pic]. Более ранние измерения содержания атмосферного углекислого газа (начиная с середины прошлого века) были, как правило, недостаточно полны,так как образцы воздуха отбирались без не-обходимой 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 [pic] для 50-х годов хорошо согласуются с данными обсерватории Мауна-Лоа.Итак, концентрация [pic] в течение 1750-
1800 годов оказалась близкой к значению 280 млн[pic], после чего она стала медленно расти и к 1984 году составляла 343[pic]1 млн[pic].

Содержание изотопа [pic]С в атмосферном углекислом газе.

Содержание изотопа [pic] выражается отклонением ([pic]) ([pic]) отношения [pic] от общепринятого стандарта. Первые измерения содержания изотопа [pic] в атмосфере были проведены Килингом в 1956 году и повторены им же в 1978 году. Значение [pic] для атмосферного [pic] в 1956 году было равно 7[pic], а в 1978 составляло -7,65[pic]. Недавно были опубли-кованы также данные измерений [pic] в углекислом газе воздушных включений в ледниках. В среднем оценки уменьшения [pic] в атмосферном [pic] в течение последних 200 лет составляют 1,0-1,5[pic]. Наб-людаемые изменения содержания [pic] вызваны главным образом поступлением [pic] в атмосферу с меньшим значением [pic] при вырубке лесов, изменении харак-тера землепользования и сжигания ископаемого топ-лива.

Содержание изотопа [pic]С в атмосферном углекислом газе.

Количество изотопа [pic] на Земле зависит от баланса между образованием [pic] под воздействием космического излучения и его радиоактивным распа-дом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной и промышленной революции распределение изотопа [pic] в различных резервуарах углерода сохранялось примерно неизменным. До начала заметных измене-ний, вызванных выбросами [pic] при испытаниях ядер-ного оружия, с начала прошлого века до середины текущего происходило уменьшение содержания [pic].
Оно было главным образом вызвано выбросом [pic] за счёт сжигания ископаемого топлива, в котором не содержится радиоактивный изотоп [pic].
Это привело к уменьшению содержания [pic] в атмосфере. Начиная с первых испытаний ядерного оружия в 1952 и 1954 годах наблюдались существенные изменения в со-держании [pic] в атмосферном углекислом газе. Боль-шое поступление [pic] в атмосферу произошло в ре-зультате ядерных испытаний, проведённых США в Тихом океане в 1958 году и СССР в 1961-1962 годах. После этого выбросы были заметно огра-ничены. Первоначально большая часть радиоактивных продуктов переносилась в стратосферу. Поскольку время обмена между стратосферой и атмосферой сос-тавляет несколько лет, то уменьшение концент-рации изотопа [pic] в тропосфере, обусловленное вза-имодействием с континентальной биотой и океанами, начиная с 1965 года происходило более медленно за счёт поступления этого изотопа из стратосферы.

Перемешивание в атмосфере.

Перемешивание воздуха в тропосфере проис-ходит довольно быстро.
Пассаты в средних широтах в обоих полушариях огибают Землю в среднем при- мерно за один месяц, вертикальное перемещение между земной поверхностью и тропопаузой (на вы-соте 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. Так как в данной работе я рассматриваю 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 [pic] для высоких северных и высоких южных широт отли-чаются только на 1,5-2,0 млн[pic].Очевидно, что в северном полушарии концентрация [pic] 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 иско- паемого топлива также возросло.

Обмен между стратосферой и тропосферой про-исходит значительно медленнее, чем в тропосфере, поэтому сезонные колебания концентрации атмосфер-ного углекислого газа выше тропопаузы быстро уменьшаются. В стратосфере рост концентрации [pic] значительно запаздывает по сравнению с её ростом в тропосфере. Так, согласно измерениям, концент-рации [pic] на высоте 36 км примерно на 7 млн[pic] 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 до-индустриальное время, более 90% содержащегося на Земле изотопа [pic] находилось в морской воде и донных отложениях (содержание [pic] в последних сос-тавляет всего несколько процентов). Существовал примерный баланс между переносом [pic] из атмосферы в океан и радиоактивным распадом внутри океана. Средний глобальный обмен
[pic] между атмосферой и океаном можно определить путём измерения разности содержания [pic] в углекислом газе атмосферы и растворённом [pic] в поверхностном слое океана. Данные наблюдений за уменьшением концентрации
[pic] 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 [pic] и [pic], обусловленного поступлением [pic] из океана в атмосферу. Средняя скорость газообмена [pic] между атмосферой и океаном при концентрации [pic] в атмосфере 300 млн[pic], по-лученная на основе этих трёх способов, равна 18[pic]5 моль/(м[pic]год). Это означает, что среднее время пребывания [pic] в атмосфере равно 8,5[pic]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 [pic] в морской воде проис-ходит реакция гидратации с образованием угольной кислоты [pic], которая в свою очередь диссоциирует на ионы [pic]. Карбонатная система опреде-ляется суммарной концентрацией растворённого неорганического углерода ([pic]), кислотностью (pH); парциальным давлением расворённого углекислого газа [pic], которое при условии равновесия с атмо-сферой равно парциальному давлению [pic] в атмо- сфере. При поглощении [pic] морской водой щё-лочность остаётся неизменной, а образование и разложение органических и неорганических соединений приводит к изменению как [pic]. Карбо-натная система имеет следующие основные особенности:
1. Растворимость [pic] в морской воде и соот-ветственно концентрация суммарного углерода, находящегося в равновесии с атмосферным [pic] при заданном значении концентрации послед-него, зависят от температуры.
2. Обмен [pic] 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 парци-ального давления углекислого газа в направлении от полюса к экватору невелико, в среднем [pic] переносится из атмосферы в океан в высоких ши-ротах и в противоположном направлении в низких. Буферный фактор имеет величину порядка 10 и увеличивается с ростом значений [pic].
Это означает, что [pic] чувствительно к довольно малым изменениям [pic] в воде. При сохранении равновесия в системе ат-мосфера - поверхностные воды океана изменение концентрации [pic] в атмосфере примерно на 25% в течение последних 100 лет вызовет изменение содержания суммарного расворённого неорганичес-кого углерода в поверхностных водах только на 2-2,5%. Таким образом, способность океана поглощать избыточный атмосферный [pic] 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 сум-марного неорганического углерода в океане в 1983 году более, чем в 50 раз превышало содержание
[pic] в атмосфере. Кроме того, в океане находятся зна-чительные количества растворённого органического углерода. Вертикальное распределение [pic] не явля-ется однородным, его концентрации в глубинных слоях океана выше, чем в поверхностных. На-блюдается также увеличение концентрации [pic] от довольно низких значений в глубинных водах Се-верного Ледовитого океана к более высоким 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 [pic], однако пределы изменений щёлочности значи-тельно меньше и составляют примерно 30% изменений [pic]. Интересно отметить, что поверхностные концент- рации [pic] были бы на примерно на 15% выше, если бы океаны были хорошо перемешаны, что в свою очередь означало бы, что концентрация [pic] в атмосфере должна быть около 700 млн[pic]. Наличие вертикальных градиендов
[pic](так же как и щёлочности) в океанах оказывает существенное влияние на концентрации атмосферного [pic].

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 [pic] уменьшается. Влияние этого процесса на щёлочность может быть различным.Несомненно, что увеличение концентрации атмосферного [pic] создаёт поток [pic] из атмосферы в океан, который в свою очередь должен был изменить доиндустриальное распределение [pic] в верхних слоях океана.

Ежегодно около [pic]г С откладывается на дне океана, часть этих отложений представляет собой органический углерод, а другая часть - [pic].
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 [pic] 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 [pic] 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[pic]с. - 45[pic]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 Уэд-делла). Кроме того, из областей основных течений в широтном поясе
45-55[pic] (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 [pic] для времени, когда происходило образование глубинных вод. При поглощении ант-ропогенного [pic] океаном поток растворённого не-органического углерода из глубинных слоёв к по- верхностным уменьшается из-за повышения кон-центрации [pic] 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.