В сентябре мы перешагнули красную черту: концентрация углекислого газа в атмосфере Земли повысилась до 400 частей на миллион . За 200 лет развития промышленности концентрация углекислого газа в атмосфере поднялась с 280 до 400 частей на миллион. Климатологи считают, что СО 2 в атмосфере никогда не станет меньше.
Сейчас считается, что повышение уровня углекислого газа обусловлено деятельностью человека. Увеличение концентрации СО 2 совпало с началом промышленной революции. С тех пор этот показатель только увеличивался, и в ближайшее время снижаться не собирается. Доказательством этому может служить то, что в сентябре в атмосфере Земли, обычно, минимальный уровень углекислого газа за год. Но в 2016 г. СО 2 в сентябре не стало меньше.
Данные о концентрации углекислого газа в атмосфере Земли предоставляют несколько организаций. Главный центр мониторинга - это обсерватория Мауна-Лоа . Она расположена на южном склоне одноименной горы одного из Гавайских островов. Информация, получаемая сотрудниками обсерватории, используется в глобальном мониторинге состояния атмосферы и в анализе проблем, которые связаны с глобальным потеплением климата.
«Возможна ли ситуация, когда в октябре 2016 года концентрация СО 2 упадет ниже отметки в 400 частей на миллион? Нет, это очень маловероятно», - говорит Ральф Килинг , ведущий специалист программы мониторинга диоксида углерода в Институте океанографии Скриппса. Небольшая отрицательная динамика все еще возможна, считает ученый, но понижение уровня диоксида углерода может быть только краткосрочным.
Причины отрицательной динамики могут быть разными. Например, обсерватория Мауна-Лоа в августе этого года зафиксировала падение СО 2 ниже отметки в 400 частей на миллион. Объясняется это тем, что в августе в районе Гавайских островов прошел ураган, который и стал причиной снижения концентрации диоксида углерода. В целом же, как утверждают климатологи, мы уже живем в мире «400 частей на миллион», и в ближайшее время ситуация не изменится. Какие это может иметь последствия для человека?
Кэролин Снайдер (Carolyn Snyder) из Стэнфордского университета (США) провела работу по анализу температуры на Земле за период в два миллиона лет. В работе сравнивалась динамика температуры и изменение концентрации диоксида углерода в атмосфере. Как оказалось, климат Земли является еще более чувствительным к диоксиду углерода, чем считалось ранее. Снайдер утверждает, что в ближайшую тысячу лет температура поднимется сразу на несколько градусов. Свои выводы она изложила в статье, опубликованной в журнале Nature .
Для отслеживания динамики температуры на Земле за период времени в 2 млн лет Снайдер использовала специфическую методику, где требуется оценивать соотношение изотопов магния и кальция в осадочных породах. Этот метод возможно использовать только для оценки долгосрочных изменений параметров температуры на планете.
Как оказалось, последние пять тысяч лет стали наиболее теплыми за период времени в 120 000 лет. Правда, температурный пик пришелся как раз на первые 5000 лет указанного временного отрезка. Тогда среднегодовой показатель температуры был примерно на 3,5 °C выше, чем сейчас. Теплее на Земле было только 2 млн лет назад, когда средняя температура составляла около +16°C. Сейчас среднегодовая температура на Земле составляет +14°C. Снайдер построила шкалу зависимости температуры от концентрации углекислого газа. Если использовать метод, предложенный Кэролин Снайдер, получается, что при уровне СО 2 в 560 частей на миллион среднегодовая температура должна подняться с +14°C до +23°C.
Повышение концентрации диоксида углерода за последние 200 лет с 280 до 400 частей на миллион должно повлечь за собой увеличение среднегодовой температуры на Земле примерено на +5°C. Пока что ученые говорят о разнице с доиндустриальным периодом всего на +1°C. Снайдер утверждает, что причина - в инерционности климата планеты. Спустя некоторое время температура будет повышаться. И даже, если концентрация СО 2 останется на текущем уровне, через 1000 лет среднегодовая температура на Земле повысится на прогнозируемые +5°C.
Вызвала в комментариях ожесточенный спор на тему, является ли человеческая цивилизация основным источником парниковых газов на планете. Уважаемый dims12 привел интересную ссылку , где говорится, что вулканы выбрасывают в 100-500 раз меньше углекислого газа, чем современная цивилизация:
В ответ на это, уважаемый vladimir000
привел свой . В результате него он получил, что выбросы СО2
человеческой цивилизацией гораздо меньше: около 600 миллионов тонн:
Что-то у вас порядок цифр странный. Поиск дает суммарную мощность всех электростанций Земли 2*10^12 ватт, то есть, предположив, что все они работают на ископаемом топливе круглый год, получаем примерно 2*10^16 ватт-час годового потребления, то есть 6*10^15 КДжоулей.
Опять же, поиск дает удельную теплоту сгорания первые десятки тысяч КДжоулей на килограмм ископаемого топлива. Примем для простоты 10000, и примем, что все переработанное топливо улетает в трубу без остатка.
Тогда, чтобы полностью покрыть потребности человечества в энергии, получается, достаточно сжигать 6*10^15 / 10^4 килограмм углерода в год, то есть 6*10^8 тонн. 600 мегатонн в год. Учитывая, что существуют еще атомные, гидро и прочие возобновляемые станции, не вижу за счет чего, итоговое потребление увеличится в 500 раз.
Разница получилась огромная - 500 раз. Но при этом я не совсем понял, откуда получилась эта 500-кратная разница. Если разделить 29 миллиардов тонн на 600 миллионов тонн, то будет разница в 50 раз. С другой стороны, эта разница, вероятно, связана с не 100% КПД электростанцией, и с тем фактом, что ископаемое топливо потребляют не только электростанции, но и для транспорта, обогрева жилищ или производства цемента.
Поэтому можно точнее произвести этот расчет. Для этого просто используем следующую цитату : "при сжигании угля в размере одной тонны условного топлива потребляется 2,3 тонны кислорода и выбрасывается 2,76 тонны углекислого газа, а при сжигании природного газа выбрасывается 1,62 тонны углекислого газа, а потребляется все те же 2,35 тонны кислорода ".
Сколько сейчас человечество потребляет условного топлива в год? Такая статистика приводится в отчетах компании BP . Около 13 миллиардов тонн условного топлива. Тем самым человечество выбрасывает в атмосферу порядка 26 миллиардов тонн углекислого газа. Более того, в тех же данных приводится подробная статистика по выбросам СО2 за каждый год. Из неё следует, что эти выбросы постоянно растут:
В тоже время, только половина этих выбросов попадает в атмосферу. Другая половина
Очень велика. Углекислый газ принимает участие в образовании всего живого вещества планеты и вместе с молекулами воды и метана создает так называемый «оранжерейный (парниковый) эффект».
Роль углекислого газа (CO 2 , двуокись или диоксид углерода ) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании процесса фотосинтеза, который осуществляется растениями .
Являясь парниковым газом , двуокись углерода в воздухе оказывает влияние на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучамое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты .
В последнее время наблюдается увеличение концентрации углекислого газа в воздухе, что ведет к изменению климата Земли .
Углерод (С) в атмосфере содержится в основном в виде углекислого газа (СО 2) и в небольшом количестве в виде метана (СН 4), угарного газа и других углеводородов.
Для газов атмосферы Земли применяют понятие «время жизни газа». Это время, за которое газ полностью обновляется, т.е. время, за которое в атмосферу поступает столько же газа, сколько в нем содержится. Так вот, для углекислого газа это время составляет 3-5 лет, для метана – 10-14 лет. СО окисляется до СО 2 в течение нескольких месяцев.
В биосфере значение углерода очень велико, так как он входит в состав всех живых организмов. В пределах живых существ углерод содержится в восстановленном виде, а вне пределов биосферы – в окисленном. Таким образом, формируется химический обмен жизненного цикла: СО 2 ↔ живое вещество.
Источники углерода в атмосфере Земли.
Источником первичной углекислоты являются вулканы , при извержении которых в атмосферу выделяется огромное количество газов. Часть этой углекислоты возникает при термическом разложении древних известняков в различных зонах метаморфизма.
Также углерод поступает в атмосферу Земли в виде метана в результате анаэробного разложения органических остатков. Метан под воздействием кислорода быстро окисляется до углекислого газа. Основными поставщиками метана в атмосферу являются тропические леса и болота .
Миграция СО 2 в биосфере.
Миграция СО 2 протекает двумя способами:
При первом способе СО 2 поглощается из атмосферы Земли в процессе фотосинтеза и участвует в образовании органических веществ с последующем захоронением в земной коре в виде полезных ископаемых: торфа, нефти, горючих сланцев.
При втором способе углерод участвует в создании карбонатов в гидросфере. СО 2 переходит в Н 2 СО 3 , НСО 3 -1 , СО 3 -2 . Затем с участием кальция (реже магния и железа) происходит осаждение карбонатов биогенным и абиогенным путем. Возникают мощные толщи известняков и доломитов. По оценке А.Б. Ронова, соотношение органического углерода (С орг) к углероду карбонатному (С карб) в истории биосферы составляло 1:4.
Геохимический круговорот углерода.
Извлечение углекислого газа из атмосферы.
Углекислый газ из атмосферы Земли извлекается зелеными растениями в процессе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения . Полученный из атмосферы углекислый газ растения преобразуют в углеводы и кислород. Углеводы участвуют в образовании органических соединений растений, а кислород выделяется обратно в атмосферу.
Связывание углекислого газа.
В активном круговороте углерода участвует очень небольшая часть всей его массы. Огромное количество угольной кислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород. Между углекислым газом атмосферы Земли и водой океана , в свою очередь, существует подвижное равновесие.
Благодаря высокой скорости размножения растительные организмы (особенно низшие микроорганизмы и морской фитопланктон) продуцируют в год около 1,5-10 11 т углерода в виде органической массы, что соответствует 5,86-10 20 Дж (1,4-10 20 кал) энергии.
Растения частично поедаются животными, при отмирании которых органическое вещество отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим другим каустобиолитам - каменным углям, нефти, горючим газам.
В процессах распада органических веществ, их минерализации огромную роль играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы (например, плесневые).
Основные запасы углерода находятся в связанном состоянии (в основном в составе карбонатов) в осадочных породах Земли, значительная часть растворена в водах океана, и относительно небольшая – присутствует в составе воздуха.
Отношение количеств углерода в литосфере, гидросфере и атмосфере Земли, по уточненным расчетам, составляет 28 570: 57: 1.
Как углекислый газ возвращается снова в атмосферу Земли?
Углекислый газ выделяется в атмосферу Земли:
В процессе дыхания живых организмов и разложения их трупов, распада карбонатов, процессов брожения, гниения и горения;
Зеленые растения, днем поглощая углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза, ночью некоторую его часть возвращают обратно;
В результате деятельности вулканов, газы которых состоят в основном из углекислого газа и паров воды. Современный вулканизм в среднем приводит к выделению 2·10 8 тонн CO 2 в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии (выделенной в результате человеческой деятельности) ;
В результате индустриальной деятельности человека, в последние годы занявшей особое место в круговороте углерода. Массовое сжигание ископаемого топлива ведет к возрастанию содержания углерода в атмосфере, так как только 57% процентов производимого человечеством углекислого газа перерабатывается растениями и поглощается гидросферой. Массовая вырубка лесов также ведет к увеличению концентрации углекислоты в воздухе.
Химический состав
Атмосфера Земли возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.
В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).
Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H 2 O) и углекислого газа (CO 2).
Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SO 2 , NH 3 , СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I 2 , а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).
Углекислый газ в атмосфере Земли , по состоянию на 2011 год, представлен в количестве 392 ppm или 0,0392 %. Роль углекислого газа (CO 2 , двуокись или диоксид углерода ) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании процесса фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, двуокись углерода в воздухе оказывает влияние на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучамое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты.
В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива, происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Впервые антропогенное влияние на концентрацию двуокиси углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп её роста увеличивался и в конце 2000-х происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO 2 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет.
Роль в парниковом эффекте
Несмотря на относительно небольшую концентрацию в воздухе, CO 2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим - асимметричное растяжение молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту. Текущее изменение концентрации атмосферного CO 2 сказывается в полосах поглощения, где его современное влияние на спектр переизлучения Земли приводит только к частичному поглощению.
Кроме парниковых свойств двуокиси углерода, также имеет значение тот факт, что она является более тяжелым газом по сравнению с воздухом. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO 2 - 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности.
В целом, увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты. Данный газ также обладает уникальным свойством долговременного воздействия на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остается в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, существуют в свободном состоянии в атмосфере на протяжении более короткого времени.
Источники углекислого газа
К естественным источникам двуокиси углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (Аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO 2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO 2 приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путем их сжигания в факелах.
Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.
Антропогенная эмиссия
Эмиссия углерода в атмосферу в результате пром. активности в 1800 – 2004 гг.
С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов двуокиси углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO 2 . В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами. Соотношение увеличения количества CO 2 в атмосфере ко всему выделенному CO 2 составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет.
Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO 2 , вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO 2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн. Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферной двуокиси углерода эквивалентную сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990). Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO 2 , что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO 2 . Как результат, двуокись углерода постепенно аккумулировалась в атмосфере и в 2009 году её концентрация на 39 % превосходила доиндустриальное значение.
Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO 2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.
> Концентрация углекислого газа
Ученые уже давно подозревают, что повышенная концентрация углекислого газа в атмосфере имеет прямое отношение к глобальному потеплению, но, как оказалось, углекислый газ может иметь непосредственное отношение и к нашему здоровью. Человек является основным источником образования углекислого газа в помещении, поскольку мы выдыхаем от 18 до 25 литров этого газа в час. Высокий объем углекислого газа может наблюдаться во всех помещениях, где находятся люди: в школьных классах и институтских аудиториях, в комнатах для совещаний и офисных помещениях, в спальнях и детских комнатах.
То, что нам не хватает кислорода в душном помещении, – это миф. Расчеты показывают, что вопреки существующему стереотипу, головная боль, слабость, и другие симптомы возникают у человека в помещении не от недостатка кислорода, а именно от высокой концентрации углекислого газа.
Еще недавно в Европейских странах и США уровень объема углекислого газа в помещении измеряли только для того, чтоб проверить качество работы вентиляции, и считалось, что СО2 опасен для человека только в больших концентрациях. Исследования же о влиянии на организм человека углекислого газа в концентрации приблизительно 0,1% появились совсем недавно.
Мало кто знает, что чистый воздух за городом содержит около 0,04% углекислого газа, и, чем ближе содержание СО2 в помещении к этой цифре, тем лучше чувствует себя человек.
Осознаем ли мы влияния плохого качества воздуха в помещение на наше здоровье и здоровье наших детей? Понимаем ли мы, как влияет высокое содержание углекислого газа в помещении на нашу работоспособность и на успеваемость учащихся? Можем ли мы понять, почему мы и наши дети такие усталые в конце рабочего дня? В состоянии ли мы решить проблему нашей утренней усталости и раздражительности, а так же плохого ночного сна?
Группой Европейских ученых были проведены исследования того, как влияет высокий (приблизительно 0,1-0,2%) уровень углекислого газа в классах на организм школьников. Исследования показали, что больше половины школьников регулярно испытывают на себе негативное влияние высокого уровня СО2, и следствием этого является то, что проблемы с дыхательной системой, ринит и слабая носоглотка у таких детей наблюдаются гораздо чаще, чем у других детей.
В результате исследований, проведенных в Европе и США было выявлено, что повышенный уровень СО2 в классе ведет к снижении внимания школьников, к ухудшению успеваемости, а так же к увеличению числа пропусков уроков по болезни. Особенно это касается детей, которые больны астмой.
В России подобные исследования никогда не проводились. Однако, в результате комплексного обследования московских детей и подростков в 2004-2004 гг. оказалось, что среди обнаруженных болезней у юных москвичей преобладают заболевания органов дыхания.
В результате недавних исследований, проведенных индийскими учеными среди жителей города Калькутта, выяснено, что даже в низких концентрациях углекислый газ является потенциально токсичным газом. Ученые сделали вывод, что углекислый газ по своей токсичности близок к двуокиси азота, принимая во внимание его воздействие на клеточную мембрану и биохимические изменения, происходящие в крови человека, такие, как ацидоз. Длительный ацидоз в свою очередь приводит к заболеванию сердечнососудистой системы, гипертонии, усталости и другим неблагоприятным для человеческого организма последствиям.
Жители крупного мегаполиса подвергаются негативному влиянию углекислого газа с утра до вечера. Сначала в переполненном общественном транспорте и в собственных автомобилях, которые подолгу стоят в пробках. Затем на работе, где часто бывает душно и нечем дышать.
Очень важно поддерживать хорошее качество воздуха в спальне, т.к. люди проводят там треть своей жизни. Для того, чтоб хорошо выспаться гораздо важнее качественный воздух в спальне, чем продолжительность сна, а уровень углекислого газа в спальнях и детских комнатах должен быть ниже 0,08%. Высокий уровень СО2 в этих помещениях может явиться причиной таких симптомов, как заложенность носа, раздражение горла и глаз, головной боли и бессонницы.
Финские ученые нашли способ решения этой проблемы исходя из аксиомы, что если в природе уровень углекислого газа составляет 0,035-0,04%, то и в помещениях он должен быть приближен к этому уровню. Изобретенное ими устройство удаляет из воздуха помещений избыток углекислого газа. Принцип основан на абсорбции (поглощении) углекислого газа специальным веществом.
