20225-1 (Углеродный цикл и изменения климата), страница 2

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 .

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

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

Содержание изотопа С в атмосферном углекислом газе.

Количество изотопа на Земле зависит от баланса между образованием под воздействием космического излучения и его радиоактивным распадом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной и промышленной революции распределение изотопа в различных резервуарах углерода сохранялось примерно неизменным. До начала заметных изменений, вызванных выбросами при испытаниях ядерного оружия, с начала прошлого века до середины текущего происходило уменьшение содержания . Оно было главным образом вызвано выбросом за счёт сжигания ископаемого топлива, в котором не содержится радиоактивный изотоп . Это привело к уменьшению содержания в атмосфере. Начиная с первых испытаний ядерного оружия в 1952 и 1954 годах наблюдались существенные изменения содержания в атмосферном углекислом газе. Большое поступление в атмосферу произошло в результате ядерных испытаний, проведённых США в Тихом океане в 1958 году и СССР в 1961-1962 годах. После этого выбросы были заметно ограничены. Первоначально большая часть радиоактивных продуктов переносилась в стратосферу. Поскольку время обмена между стратосферой и атмосферой составляет несколько лет, то уменьшение концентрации изотопа в тропосфере, обусловленное взаимодействием 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 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:

Растворимость в морской воде и соответственно концентрация суммарного углерода, находящегося в равновесии с атмосферным при заданном значении концентрации последнего, зависят от температуры.

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.