stringtranslate.com

Атмосферный углеродный цикл

Схематическое изображение общего возмущения глобального углеродного цикла, вызванного антропогенной деятельностью, усредненное с 2010 по 2019 год. [1]

Атмосферный углеродный цикл учитывает обмен газообразными углеродными соединениями , в первую очередь углекислым газом (CO 2 ), между атмосферой Земли, океанами и земной биосферой . Это один из самых быстрых компонентов общего углеродного цикла планеты , поддерживающий обмен более чем 200 миллиардами тонн углерода (т. е. гигатоннами углерода или GtC) в атмосферу и из нее в течение каждого года. [2] Атмосферные концентрации CO 2 остаются стабильными в течение более длительных временных масштабов только тогда, когда существует баланс между этими двумя потоками. Метан ( CH 4 ), оксид углерода (CO) и другие антропогенные соединения присутствуют в меньших концентрациях и также являются частью атмосферного углеродного цикла. [3]

Человеческая деятельность, в первую очередь добыча и сжигание ископаемого углерода из литосферы Земли , начиная с промышленной революции , нарушила предыдущий баланс атмосферного углеродного цикла и в основном ответственна за продолжающийся быстрый рост концентраций CO 2 и CH 4. [4] По состоянию на 2019 год ежегодные выбросы выросли до 10 ГтС/год, а общее количество впрыскиваемого в цикл составило около 450 ГтС. [5] Наземные и океанические поглотители к настоящему времени поглотили половину добавленного углерода, а половина осталась в атмосфере, в основном, в виде CO 2 . Если предположить, что тенденция роста выбросов сохранится, концентрация CO 2 будет находиться на пути к тому, чтобы как минимум удвоиться ко второй половине этого столетия. [6]

Атмосферный углеродный цикл также сильно влияет на энергетический баланс Земли через парниковый эффект и влияет на кислотность или щелочность поверхностных вод и почв планеты. Несмотря на то, что он составляет менее 0,05% всех атмосферных газов по молярной доле , [7] недавний рост концентрации углерода вызвал существенное глобальное потепление и закисление океана . [8] Такие эффекты, как правило, прогнозируются, будут усиливаться до тех пор, пока чистые выбросы не стабилизируются и не сократятся. [6]

Соответствующие газы

Компьютерная модель, показывающая год жизни углекислого газа в атмосфере и его перемещение по земному шару  [9]

Атмосфера является одним из основных резервуаров углерода на Земле и содержит около 720 гигатонн углерода по состоянию на 2000 год. [2] Концентрация парниковых газов, в основном на основе углерода , резко возросла с начала индустриальной эпохи . Это делает понимание углеродного компонента атмосферы крайне важным. Два основных парниковых газа на основе углерода — метан и углекислый газ. [10]

Метан

Метан (CH 4 ) является одним из наиболее мощных парниковых газов и в основном производится путем пищеварения или разложения биологических организмов. Он считается вторым по важности парниковым газом, [10] однако цикл метана в атмосфере в настоящее время изучен недостаточно. [11] Количество метана, производимого и поглощаемого ежегодно, сильно варьируется. [10]

Большие запасы метана можно найти в виде метанового льда под вечной мерзлотой и на континентальных шельфах. Дополнительный метан производится анаэробным распадом органического материала и производится в пищеварительных трактах организмов, почве и т. д. Естественное производство метана составляет 10-30% мировых источников метана. [12]

Антропогенный метан вырабатывается различными способами, например, при разведении крупного рогатого скота или при разложении мусора на свалках. Он также вырабатывается несколькими промышленными источниками, включая добычу и распределение ископаемого топлива. [11] Более 70% атмосферного метана поступает из биогенных источников. Уровни метана постепенно росли с начала индустриальной эпохи, [13] с ~700 ppb в 1750 году до ~1775 ppb в 2005 году. [10]

Метан может быть удален из атмосферы посредством реакции фотохимически произведенного гидроксильного свободного радикала (ОН). [14] [15] Он также может покинуть атмосферу, попав в стратосферу, где он разрушается, или путем поглощения почвенными стоками. [16] 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. [13] Это сохраняет концентрацию метана в атмосфере относительно низкой 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. [11]

Углекислый газ

2011 молярная доля углекислого газа в тропосфере

Углекислый газ ( CO2 ) оказывает большое потепление на глобальные температуры через парниковый эффект . Хотя отдельные молекулы CO2 имеют короткое время пребывания в атмосфере, требуется чрезвычайно много времени, чтобы уровень углекислого газа снизился после внезапного повышения, например, из-за извержений вулканов или деятельности человека [ 17], и среди многих долгоживущих парниковых газов он является самым важным, поскольку составляет наибольшую часть атмосферы. [10] Со времени промышленной революции концентрация CO2 в атмосфере выросла примерно с 280 ppm до почти 400 ppm. [7] Хотя количество введенного CO2 составляет лишь небольшую часть глобального углеродного цикла, длительное время пребывания углекислого газа делает эти выбросы значимыми для общего углеродного баланса. Повышенная концентрация углекислого газа усиливает парниковый эффект, вызывая изменения в глобальном климате . Из увеличенного количества углекислого газа, которое ежегодно выбрасывается в атмосферу, примерно 80% приходится на сжигание ископаемого топлива и производство цемента. Остальные ~20% возникают в результате изменения землепользования и вырубки лесов. [18] 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 на Земле, как объясняется в следующих разделах.

Взаимодействие с другими системами

Углеродные резервуары и потоки
Основные мировые резервуары углерода и потоки между ними. [19]

Атмосферный углерод быстро обменивается между океанами и земной биосферой. Это означает, что иногда атмосфера действует как сток, а иногда как источник углерода. [2] В следующем разделе описываются обмены между атмосферой и другими компонентами глобального углеродного цикла.

Земная биосфера

Углерод обменивается с земной биосферой с разной скоростью. Он поглощается в виде углекислого газа автотрофами и преобразуется в органические соединения . Углерод также выделяется из биосферы в атмосферу в ходе биологических процессов. Аэробное дыхание преобразует органический углерод в углекислый газ, а особый тип анаэробного дыхания преобразует его в метан. После дыхания и углекислый газ, и метан обычно выбрасываются в атмосферу. Органический углерод также выделяется в атмосферу во время горения. [19]

Время пребывания углерода в земной биосфере варьируется и зависит от большого количества факторов. Поглощение углерода в биосфере происходит в различных временных масштабах. Углерод поглощается в основном во время роста растений. Модель повышенного поглощения углерода наблюдается как в течение дня (меньше углерода поглощается ночью), так и в течение года (меньше углерода поглощается зимой). [10] В то время как органическое вещество в животных обычно быстро разлагается, выделяя большую часть своего углерода в атмосферу через дыхание, углерод, хранящийся в виде мертвого растительного вещества, может оставаться в биосфере до десятилетия и более. Различные типы растительного вещества разлагаются с разной скоростью - например, древесные вещества сохраняют свой углерод дольше, чем мягкий, лиственный материал. [20] Активный углерод в почвах может оставаться секвестрированным до тысячи лет, в то время как инертный углерод в почвах может оставаться секвестрированным более тысячелетия. [19]

Океаны

Каждый год океан и атмосфера обмениваются большим количеством углерода. Основным контролирующим фактором в океаническо-атмосферном обмене углеродом является термохалинная циркуляция . В регионах подъема глубинных вод океана богатая углеродом вода из глубин океана выходит на поверхность и выделяет углерод в атмосферу в виде углекислого газа. Большое количество углекислого газа растворяется в холодной воде в более высоких широтах. Эта вода опускается вниз и переносит углерод в более глубокие уровни океана, где он может оставаться от десятилетий до нескольких столетий. [2] События циркуляции океана приводят к тому, что этот процесс становится изменчивым. Например, во время событий Эль-Ниньо происходит меньший подъем глубинных вод океана, что приводит к меньшему выделению углекислого газа в атмосферу. [18]

Биологические процессы также приводят к обмену углерода между океаном и атмосферой. Углекислый газ уравновешивает атмосферу и поверхностные слои океана. Поскольку автотрофы добавляют или вычитают углекислый газ из воды посредством фотосинтеза или дыхания , они изменяют этот баланс, позволяя воде поглощать больше углекислого газа или заставляя ее выделять углекислый газ в атмосферу. [2]

Геосфера

Углерод, как правило, обменивается очень медленно между атмосферой и геосферой. Два исключения — это вулканические извержения и сжигание ископаемого топлива , оба из которых очень быстро выбрасывают большие количества углерода в атмосферу. [21] Свежая силикатная порода , которая подвергается воздействию геологических процессов, поглощает углерод из атмосферы, когда она подвергается воздействию воздуха в результате процессов выветривания и эрозии . [ требуется ссылка ]

Антропогенные источники

Выбросы углекислого газа и их распределение

Человеческая деятельность изменяет количество углерода в атмосфере напрямую через сжигание ископаемого топлива и других органических материалов, таким образом окисляя органический углерод и производя углекислый газ. [22] [23] Другим антропогенным источником углекислого газа является производство цемента . Сжигание ископаемого топлива и производство цемента являются основными причинами увеличения атмосферного CO 2 с начала индустриальной эпохи. [10]

Другие изменения в атмосферном углеродном цикле, вызванные человеком, происходят из-за антропогенных изменений в резервуарах углерода. Например, вырубка лесов снижает способность биосферы поглощать углерод, тем самым увеличивая количество углерода в атмосфере. [24]

Поскольку промышленное использование углерода людьми является совершенно новой динамикой в ​​геологическом масштабе, важно иметь возможность отслеживать источники и стоки углерода в атмосфере. Один из способов сделать это — наблюдать за пропорцией стабильных изотопов углерода , присутствующих в атмосфере. Два основных изотопа углерода — 12 C и 13 C. Растения поглощают более легкий изотоп, 12 C, легче, чем 13 C. [25] Поскольку ископаемое топливо в основном происходит из растительного материала, соотношение 13 C/ 12 C в атмосфере падает, когда сжигаются большие объемы ископаемого топлива, высвобождая 12 C. И наоборот, увеличение соотношения 13 C/ 12 C в атмосфере предполагает более высокое поглощение углерода биосферой. [19] Соотношение ежегодного увеличения атмосферного CO 2 по сравнению с выбросами CO 2 от ископаемого топлива и производства цемента называется « воздушной фракцией ». [26] Доля в воздухе составляла около 60% с 1950-х годов, что указывает на то, что около 60% нового углекислого газа в атмосфере каждый год поступает из антропогенных источников. [10] Для ясности, это не означает, что 60% поглощения углекислого газа в атмосферу происходит из-за деятельности человека. Это означает, что атмосфера ежегодно обменивается примерно 210 гигатоннами углерода, но поглощает на 6-10 гигатонн больше, чем теряет. Из этого чистого прироста около 60% приходится на сжигание ископаемого топлива.

Галерея

Ссылки

  1. ^ Фридлингштейн, Пьер; О'Салливан, Майкл; Джонс, Мэтью В.; Эндрю, Робби М.; Хаук, Джудит; Олсен, Аре; Питерс, Глен П.; Питерс, Воутер; Понгратц, Джулия; Ситч, Стивен; Ле Кере, Коринн; Канаделл, Хосеп Г.; Сиа, Филипп; Джексон, Роберт Б.; Алин, Симона (2020). «Глобальный углеродный бюджет 2020». Данные науки о системе Земли . 12 (4): 3269–3340. Бибкод : 2020ESSD...12.3269F. doi : 10.5194/essd-12-3269-2020 . hdl : 20.500.11850/458765 . ISSN  1866-3516.
  2. ^ abcde Falkowski, P.; Scholes, RJ; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; Högberg, P.; Linder, S.; MacKenzie, FT; Moore III, B.; Pedersen, T.; Rosenthal, Y.; Seitzinger, S.; Smetacek, V.; Steffen, W. (2000). "Глобальный углеродный цикл: проверка наших знаний о Земле как системе". Science . 290 (5490): 291–296. Bibcode :2000Sci...290..291F. doi :10.1126/science.290.5490.291. PMID  11030643.
  3. ^ Riebeek, Holli (16 июня 2011 г.). «Углеродный цикл». Earth Observatory . NASA. Архивировано из оригинала 5 марта 2016 г. Получено 5 апреля 2018 г.
  4. ^ Хеде, Р. (2014). «Отслеживание антропогенных выбросов углекислого газа и метана производителями ископаемого топлива и цемента, 1854–2010». Изменение климата . 122 (1–2): 229–241. Bibcode : 2014ClCh..122..229H. doi : 10.1007/s10584-013-0986-y .
  5. ^ abc Фридлингштейн, П., Джонс, М., О'Салливан, М., Эндрю, Р., Хаук, Дж., Питерс, Г., Питерс, В., Понгратц, Дж., Ситч, С., Ле Кере, К. и еще 66 человек (2019 г.) «Глобальный углеродный бюджет 2019 г.». Данные науки о системе Земли , 11 (4): 1783–1838. doi : 10.5194/essd-11-1783-2019.Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
  6. ^ ab Массон-Дельмотт, Валери ; Чжай, Панмао ; Пирани, Анна; Коннорс, Сара Л.; Пеан, Клотильда; Берже, Софи; Код, Нада; Чэнь, Ян; Гольдфарб, Лия; Гомис, Мелисса И.; Хуан, Мэнтянь; Лейцелл, Кэтрин; Лонной, Элизабет; Мэтьюз, Дж. Б. Робин; Мейкок, Том К.; Уотерфилд, Тим; Йелекчи, Озге; Ю, Ронг; Чжоу, Байцюань, ред. (2021-08-09). «Резюме для политиков». Изменение климата 2021: физическая научная основа. Вклад Рабочей группы I в Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата (PDF) . МГЭИК / Издательство Кембриджского университета . Архивировано (PDF) из оригинала 2021-08-13 . Получено 2021-08-09 .
  7. ^ ab Tans, Pieter; Keeling, Ralph. «Тенденции в углекислом газе». Лаборатория исследований системы Земли NOAA .
  8. ^ "Что такое закисление океана?". Национальная океаническая служба, Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Получено 2020-10-30 .
  9. ^ Год из жизни CO2 Земли НАСА : Центр космических полетов Годдарда , 17 ноября 2014 г.
  10. ^ abcdefgh Forster, P.; Ramawamy, V.; Artaxo, P.; Berntsen, T.; Betts, R.; Fahey, DW; Haywood, J.; Lean, J .; Lowe, DC; Myhre, G.; Nganga, J.; Prinn, R.; Raga, G.; Schulz, M.; Van Dorland, R. (2007), "Изменения в атмосферных компонентах и ​​радиационном воздействии", Изменение климата 2007: Физическая основа. Вклад Рабочей группы I в Четвертый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата
  11. ^ abc Prather, M.; et al. (2001), "Атмосферная химия и парниковые газы", Изменение климата 2001: Научная основа. Вклад Рабочей группы I в Третий оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата
  12. ^ Keppler, F.; Hamilton, JTG; Brass, M.; Röckmann, T. (2006). «Выбросы метана наземными растениями в аэробных условиях». Nature . 439 (7073): 187–191. Bibcode :2006Natur.439..187K. doi :10.1038/nature04420. PMID  16407949. S2CID  2870347.
  13. ^ ab Информационный центр глобальных систем наблюдений (2011). "GCOS Atmospheric Composition ECV: Methane (CH4) and other Long-Lived Green House Gases". Архивировано из оригинала 2012-03-08 . Получено 2012-06-04 .
  14. ^ Платт, У.; Аллан, В.; Лоу, Д. (2004). "Средняя в полушарии концентрация атомов Cl из соотношений 13C/12C в атмосферном метане". Atmospheric Chemistry and Physics . 4 (9/10): 2393. Bibcode :2004ACP.....4.2393P. doi : 10.5194/acp-4-2393-2004 .
  15. ^ Allan, W.; Lowe, DC; Gomez, AJ; Struthers, H.; Brailsford, GW (2005). "Межгодовые изменения 13C в тропосферном метане: последствия для возможного стока атомарного хлора в морском пограничном слое". Journal of Geophysical Research . 110 (D11): D11306. Bibcode : 2005JGRD..11011306A. doi : 10.1029/2004JD005650 .
  16. ^ Борн, М.; Дорр, Х.; Левин, И. (1990). «Потребление метана в аэрируемых почвах умеренной зоны». Tellus B. 42 ( 1): 2–8. Bibcode :1990TellB..42....2B. doi :10.1034/j.1600-0889.1990.00002.x.
  17. ^ Инман, М. (2008). «Углерод навсегда». Nature Reports Climate Change . 1 (812): 156–158. doi : 10.1038/climate.2008.122 .
  18. ^ ab Denman, Kenneth; Brasseur, Guy; Chidthaisong, A.; Ciais, P.; Cox, P.; Dickinson, R..; Hauglusteine, D.; Heinze, C.; Holland, E.; Jacob, D.; Lohmann, U.; Ramachandran, S.; da Silva Dias, P.; Wofsy, S.; Zhang, X. (2007), "Связи между изменениями в климатической системе и биогеохимией", Изменение климата 2007: Физическая основа. Вклад Рабочей группы I в Четвертый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата
  19. ^ abcd Prentice, IC; et al. (2001). "Углеродный цикл и атмосферный углекислый газ" (PDF) . Изменение климата 2001: научная основа. Вклад Рабочей группы I в Третий оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата : 184–238 . Получено 20 июня 2020 г.
  20. ^ Краткая экологическая инженерия. Bookboon. ISBN 978-87-403-0197-7.
  21. ^ "Углеродный цикл и атмосферный CO2 | Земля 530: Критическая зона". www.e-education.psu.edu . Получено 2023-10-08 .
  22. ^ Ван дер Верф, GR; Рандерсон, JT; Коллатц, GJ; Джильо, L.; Касибхатла, PS; Ареллано-младший, AF; Олсен, SC; Касишке, ES (2004). «Континентальное распределение выбросов при пожарах в период Эль-Ниньо/Ла-Нинья с 1997 по 2001 гг.» (PDF) . Science . 303 (5654): 73–76. Bibcode :2004Sci...303...73V. doi :10.1126/science.1090753. PMID  14704424. S2CID  21618974.
  23. ^ Андреа, Миссури; Мерле, П. (2001). «Выбросы следовых газов и аэрозолей при сжигании биомассы». Глобальные биогеохимические циклы . 15 (4): 955. Bibcode : 2001GBioC..15..955A. doi : 10.1029/2000GB001382 .
  24. ^ Houghton, RA (2003). «Пересмотренные оценки годового чистого потока углерода в атмосферу от изменений в землепользовании и управлении земельными ресурсами 1850-2000». Tellus B. 55 ( 2): 378–390. Bibcode :2003TellB..55..378H. doi :10.1034/j.1600-0889.2003.01450.x.
  25. ^ Наказава, Т.; Моримото, С.; Аоки, С.; Танака, М. (1997). «Временные и пространственные вариации изотопного соотношения углерода в атмосферном углекислом газе в западной части Тихого океана». Журнал геофизических исследований . 102 (D1): 1271–1285. Bibcode : 1997JGR...102.1271N. doi : 10.1029/96JD02720 .
  26. ^ Килинг, CD; Уорф, TP; Вален, M.; Ван дер Плихт, J. (1995). «Межгодовые экстремальные значения скорости роста концентрации углекислого газа в атмосфере с 1980 года». Nature . 375 (6533): 666. Bibcode :1995Natur.375..666K. doi :10.1038/375666a0. S2CID  4238247.
  27. ^ Линч, Патрик (12 ноября 2015 г.). "GMS: Carbon and Climate Briefing - 12 ноября 2015 г.". Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Goddard Media Studios . Получено 7 ноября 2018 г.

Внешние ссылки