168741 (Джерела і сток СО2), страница 2

В природі відомо сім ізотопів вуглецю, з яких істотну роль відіграють три. Два з них – і – є стабільними, а один – – радіоактивним з періодом піврозпаду 5730 років. Необхідність вивчення різних ізотопів вуглецю обумовлена тим, що швидкості перенесення з’єднань вуглецю і умови рівноваги в хімічних реакціях залежать від того, які ізотопи вуглецю містять ці з’єднання. З цієї причини в природі спостерігається різний розподіл стабільних ізотопів вуглецю. Розподіл ізотопу , з одного боку, залежить від його утворення в ядерних реакціях з участю нейтронів і атомів азоту в атмосфері, а з іншою – від радіоактивного розпаду.

3 Вуглець в атмосфері

3.1 Атмосферний вуглекислий газ

Ретельні вимірювання вмісту атмосферного були початі в 1957 році Киллінгом в обсерваторії Мауна-Лоа. Регулярні вимірювання вмісту атмосферного проводяться також в ряду інших станцій. Виходячи з аналізу дослідів можна сказати, що річний хід концентрації обумовлений в основному сезонними змінами циклу фотосинтезу і деструкції рослин на суші; на нього також впливає, хоча і меншій мірі, річний хід температури поверхні океану, від якого залежить розчинність в морській воді. Третім, і, ймовірно, якнайменше важливим чинником є річний хід інтенсивності фотосинтезу в океані. Середній за кожний даний рік вміст в атмосфері дещо вищий в північній півкулі, оскільки джерела антропогенного надходження знаходяться переважно в північній півкулі. Крім того, спостерігаються невеликі міжрічні зміни вмісту, які, ймовірно, визначаються особливостями загальної циркуляції атмосфери. З наявних даних по зміні концентрації в атмосфері основне значення мають дані про спостережуване протягом останніх 25 років по регулярному зростанні вмісту атмосферного . Більш ранні вимірювання вмісту атмосферного вуглекислого газу (починаючи з середини минулого століття) були, як правило, недостатньо повні. Зразки повітря відбиралися без необхідної ретельності і не проводилася оцінка похибки результатів. За допомогою аналізу складу пухирців повітря з льодовикових кусків стало можливим одержати дані для періоду з 1750 по 1960 рік. Було також виявлено, що визначені шляхом аналізу повітряних включень льодовиків значення концентрацій атмосферного для 50-х років добре узгоджуються з даними обсерваторії Мауна-Лоа. Концентрація протягом 1750-1800 років виявилася близькою до значення 280 млн , після чого вона стала дещо зростати і до 1984 року складала343 1 млн .

3.2 Вміст ізотопу С в атмосферному вуглекислому газі.

Вміст ізотопу виражається відхиленням ( ) ( ) відношення від загальноприйнятого стандарту. Перші вимірювання вмісту ізотопу в атмосфері були проведені Килінгом в 1956 році і повторені ним же в 1978 році. Значення для атмосферного в 1956 році було рівне 7 , а в 1978 складало -7,65 . Недавно були опубліковані також дані вимірювань у вуглекислому газі повітряних включень в льодовиках. В середньому оцінки зменшення в атмосферному протягом останніх 200 років складають 1,0-1,5 . Спостережувані зміни вмісту викликані головним чином надходженням в атмосферу з меншим значенням при вирубці лісів, зміні характеру землекористування і спалювання викопного палива.

3.3 Вміст ізотопу С в атмосферному вуглекислому газі

Кількість ізотопу на Землі залежить від балансу між утворенням під впливом космічного випромінювання і його радіоактивним розпадом. Мабуть, до початку сільськогосподарської і промислової революції розподіл ізотопу в різних резервуарах вуглецю зберігався приблизно незмінним. До початку помітних змін, викликаних викидами при випробуваннях ядерної зброї, з початку минулого століття до його середини відбувалося зменшення змісту . Воно було головним чином викликано викидом за рахунок спалювання викопного палива, в якому не міститься радіоактивний ізотоп . Це привело до зменшення вмісту в атмосфері. Починаючи з першими випробуваннями ядерної зброї в 1952 і 1954 роках спостерігалися істотні зміни вмісту в атмосферному вуглекислому газі. Велике надходження в атмосферу відбулося в результаті ядерних випробувань, проведених США в Тихому океані в 1958 році і СРСР в 1961-1962 роках. Після цього викиди були помітно обмежені. Спочатку велика частина радіоактивних продуктів переносилася в стратосферу. Оскільки час обміну між стратосферою і атмосферою складає декілька років, те зменшення концентрації ізотопу в тропосфері, обумовлене взаємодією з континентальною біотою і океанами, починаючи з 1965 роком відбувалося не так швидко за рахунок надходження цього ізотопу з стратосфери.

3.4 Перемішування в атмосфері

Перемішування повітря в тропосфері відбувається досить швидко. Пасати в середніх широтах в обох півкулях огинають Землю в середньому приблизно за один місяць, вертикальне переміщення між земною поверхнею і тропопаузой (на висоті від 12 до 16 км) також відбувається протягом місяця, перемішування в напрямі з півночі на південь в межах півкулі відбувається приблизно за три місяці, а ефективний обмін між двома півкулями здійснюється приблизно за рік. Оскільки в даній роботі розглядаються процеси, зміни яких відбуваються за час порядку декількох років, десятиріч і сторіч, можна вважати, що тропосфера у будь-який момент часу добре перемішана. Це припущення засновано на тому, що середні річні значення концентрації для високих північних і високих південних широт відрізняються тільки на 1,5-2,0 млн. В північній півкулі концентрація вище, ніж в південному. Відмінність концентрацій в північному і південному півкулях, ймовірно, викликано тим, що біля 90% джерел промислових викидів розташоване в північній півкулі. За останні десятиріччя ця різниця збільшилася, оскільки споживання викопного палива також зросло.

Обмін між стратосферою і тропосферою відбувається значно повільніше, ніж в тропосфері, тому сезонні коливання концентрації атмосферного вуглекислого газу вище тропопаузи швидко зменшуються. В стратосфері зростання концентрації значно запізнюється в порівнянні з її зростанням в тропосфері. Так, згідно вимірюванням, концентрації на висоті 36 км приблизно на 7 млн менше ніж на рівні тропопаузи (тобто на висоті 15 км). Це відповідає часу перемішування між стратосферою і тропосферою, рівному 5-8 рокам.

4 Газообмін в системі атмосфера - океан

4.1 Швидкість газообміну

В стаціонарному стані, що існував в доіндустріальний час, більш 90% ізотопу , що міститься на Землі, знаходилося в морській воді і донних відкладеннях (вміст в останніх складає всього декілька відсотків). Існував зразковий баланс між перенесенням з атмосфери в океан і радіоактивним розпадом усередині океану. Середній глобальний обмін між атмосферою і океаном можна визначити шляхом вимірювання різниці вмісту у вуглекислому газі атмосфери і розчиненому в поверхневому шарі океану. Дані спостережень за зменшенням концентрації в атмосфері і її збільшенням в поверхневих водах океану після проведення випробувань ядерної зброї дають ще одну можливість визначити швидкість газообміну. Третій спосіб оцінки швидкості газообміну між атмосферою і океаном полягає у вимірюванні відхилення від стану рівноваги між і, обумовленого надходженням з океану в атмосферу. Середня швидкість газообміну між атмосферою і океаном при концентрації в атмосфері 300 млн, одержана на основі цих трьох способів, рівна 185 міль/(мгод). Це означає, що середній час перебування в атмосфері рівний 8,52 років. Швидкість газообміну на межі розподілу між атмосферою і океаном залежить від стану поверхні океану, від швидкості вітру і хвилювання.

4.2 Буферні властивості карбонатної системи

1. При розчиненні в морській воді відбувається реакція гідратації з утворенням вугільної кислоти , яка у свою чергу дисоціює на іони . Карбонатна система визначається сумарною концентрацією розчиненого неорганічного вуглецю ( ); повним вмістом боратів ( В); лужним резервом (А); кислотністю (Розчинність в морській воді і відповідно концентрація сумарного вуглецю, що знаходиться в рівновазі з атмосферною при заданому значенні концентрації останнього, залежать від температури).

2. Обмін між газовою фазою і розчином залежить від так званого буферного чинника, який також називають чинником Ревелла.

Розчинність і буферний чинник збільшуються при зниженні температури. Оскільки зміна парціального тиску вуглекислого газу в напрямі від полюса до екватора невелика, в середньому переноситься з атмосфери в океан у високих широтах і в протилежному напрямі в низьких, хоча спостерігаються відхилення від цієї спрощеної картини унаслідок того, що в результаті апвеллінга з глибинних шарів океану до поверхні приносяться збагачені вуглекислим газом води. Буферний чинник має величину порядка 10 і збільшується із зростанням значень . Це означає, що чутливе до досить малих змін у воді. При збереженні рівноваги в системі атмосфера - поверхневі води океану зміна концентрації в атмосфері приблизно на 25% протягом останні 100 років викличе зміну вмісту сумарного неорганічного вуглецю в поверхневих водах тільки на 2-2,5%. Таким чином, здатність океану поглинати надмірний атмосферний в 10 разів менше тій, яку можна б було чекати виходячи з порівняння розмірів природних резервуарів вуглецю.

5 Вуглець в морській воді

5.1 Повний вміст вуглецю і лужність