Углерод

Углерод

Содержание.

1 Человек и климат.

2 Введение.

Взаимосвязь между энергопотреблением, экономической

деятельностью и поступлением [pic] в атмосферу.

Потребление энергии и выбросы углекислого газа.

3 Углерод в природе.

Основные химические соединения и реакции.

Изотопы углерода.

4 Углерод в атмосфере.

Атмосферный углекислый газ.

Углерод в почве.

5 Прогнозы концентрации углекислого газа в атмосфере на будущее.

Основные выводы.

6 Список литературы.

Введение.

Деятельность человека достигла уже такого уровня развития, при

котором её влияние на природу приобретает глобальный характер. Природные

системы - атмосфера, суша, океан, - а также жизнь на планете в целом

подвергаются этим воздействиям. Известно, что на протяжении последнего

столетия увеличивалось содержание в атмосфере некоторых газовых

составляющих, таких, как двуокись углерода ([pic]), закись азота ([pic]),

метан ([pic]) и тропосферный озон ([pic]). Дополнительно в атмосферу

поступали и другие газы, не являющиеся естественными компонентами

глобальной экосистемы. Главные из них - фторхлоруглеводороды. Эти газовые

примеси поглощают и излучают радиацию и поэтому способны влиять на климат

Земли. Все эти газы в совокупности можно назвать парниковыми.

Представление о том, что климат мог меняться в результате выброса в

атмосферы двуокиси углерода, появилось не сейчас. Аррениус указал на то,

что сжигание ископаемого топлива могло привести к увеличению концентрации

атмосферного [pic] и тем самым изменить радиационный баланс Земли. В

настоящие время мы приблизительно известно, какое количество [pic]

поступило в атмосферу за счёт сжигания ископаемого топлива и изменений в

использовании земель (сведения лесов и расширения сельскохозяйственных

площадей), и можно связать наблюдаемое увеличение концентрации атмосферного

[pic] с деятельностью человека.

Механизм воздействия [pic] на климат заключается в так называемом

парниковом эффекте. В то время как для солнечной коротковолновой радиации

[pic] прозрачен, уходящую от земной поверхности длинноволновую радиацию

этот газ поглощает и излучает поглощённую энергию по всем направлениям.

Вследствие этого эффекта увеличение концентрации атмосферного [pic]

приводит к нагреву поверхности Земли и нижней атмосферы. Продолжающийся

рост концентрации [pic] в атмосфере может привести к изменению глобального

климата, поэтому прогноз будущих концентраций углекислого газа является

важной задачей.

Поступление углекислого газа в атмосферу

в результате промышленных

выбросов.

Основным антропогенным источником выбросов [pic] является сжигание

всевозможных видов углеродосодержащего топлива. В настоящее время

экономическое развитие обычно связывается с ростом индустриализации.

Исторически сложилось, что подъём экономики зависит от наличия доступных

источников энергии и количества сжигаемого ископаемого топлива. Данные о

развитии экономики и энергетики для большинства стран за период 1860-1973

гг. Свидетельствуют не только об экономическом росте, но и о росте

энергопотребления. Тем не менее одно не является следствием другого.

Начиная с 1973 года во многих странах отмечается снижение удельных

энергозатрат при росте реальных цен на энергию. Недавнее исследование

промышленного использования энергии в США показало, что начиная с 1920 года

отношение затрат первичной энергии к экономическому эквиваленту

производимых товаров постоянно уменьшалось. Более эффективное использование

энергии достигается в результате совершенствования промышленной технологии,

транспортных средств и проектирования зданий. Кроме того, в ряде

промышленно развитых стран произошли сдвиги в структуре экономики,

выразившиеся в переходе от развития сырьевой и перерабатывающей

промышленности к расширению отраслей, производящих конечный продукт.

Минимальный уровень потребления энергии на душу населения,

необходимый в настоящее время для удовлетворения нужд медицины, образования

и рекреации, значительно меняется от региона к региону и от страны к

стране. Во многих развивающихся странах значительный рост потребления

высококачественных видов топлива на душу населения является существенным

фактором для достижения более высокого уровня жизни. Сейчас представляется

вероятным, что продолжение экономического роста и достижение желаемого

уровня жизни не связаны с уровнем энергопотребления на душу населения,

однако этот процесс ещё недостаточно изучен.

Можно предположить, что до достижения середины следующего столетия

экономика большинства стран сумеет приспособиться к повышенным ценам на

энергию, уменьшая потребности в рабочей силе и в других видах ресурсов, а

также увеличивая скорость обработки и передачи информации или, возможно,

изменяя структуру экономического баланса между производством товаров и

предоставлением услуг. Таким образом, от выбора стратегии развития

энергетики с той или иной долей использования угля или ядерного топлива в

энергетической системе будет непосредственно зависеть скорость промышленных

выбросов [pic].

Потребление энергии и выбросы

углекислого газа.

Энергия не производится ради самого производства энергии. В

промышленно развитых странах основная часть вырабатываемой энергии

приходится на промышленность, транспорт, обогрев и охлаждение зданий. Во

многих недавно выполненных исследованиях показано, что современный уровень

потребления энергии в промышленно развитых станах может быть существенно

снижен за счёт применения энергосберегающих технологий. Было рассчитано,

что если бы США перешли, при производстве товаров широкого потребления и в

сфере услуг, на наименее энергоёмкие технологии при том же объёме

производства, то количество поступающего в атмосферу [pic] уменьшилось бы

на 25%. Результирующее уменьшение выбросов [pic] в целом по земному шару

при этом составило бы 7%. Подобный эффект имел бы место и в других

промышленно развитых странах. Дальнейшего снижения скорости поступления

[pic] в атмосферу можно достичь путём изменения структуры экономики в

результате внедрения более эффективных методов производства товаров и

усовершенствований в сфере предоставления услуг населению.

Углерод в природе.

Среди множества химических элементов, без которых невозможно

существование жизни на Земле, углерод является главным. Химические

превращения органических веществ связаны со способностью атома углерода

образовывать длинные ковалентные цепи и кольца. Биогеохимический цикл

углерода, естественно, очень сложный, так как он включает не только

функционирование всех форм жизни на Земле, но и перенос неорганических

веществ как между различными резервуарами углерода, так и внутри них.

Основными резервуарами углерода являются атмосфера, континентальная

биомасса, включая почвы, гидросферу с морской биотой и литосферой. В

течение последних двух столетий в системе атмосфера - биосфера - гидросфера

происходят изменения потоков углерода, интенсивность которых примерно на

порядок величины превышает интенсивность геологических процессов переноса

этого элемента. По этой причине следует ограничиться анализом

взаимодействий в пределах этой системы, включая почвы.

Основные химические соединения и реакции.

Известно более миллиона углеродных соединений, тысячи из которых

участвуют в биологических процессах. Атомы углерода могут находиться в

одном из девяти возможных состояний окисления: от +IV до -IV. Наиболее

распространённое явление - это полное окисление, т.е. +IV, примерами таких

соединений могут служить [pic] и [pic]. Более 99% углерода в атмосфере

содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует

в растворённой форме ([pic]), а в литосфере - в виде минералов. Примером

состояния окисления +II является малая газовая составляющая атмосферы

[pic], которая довольно быстро окисляется до [pic]. Элементарный углерод

присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в

почве - в форме древесного угля. Ассимиляция углерода в процессе

фотосинтеза приводит к образованию восстановленного углерода, который

присутствует в биоте, мёртвом органическом веществе почвы, в верхних слоях

осадочных пород в виде угля, нефти и газа, захоронённых на больших

глубинах, и в литосфере - в виде рассеянного недоокисленного углерода.

Некоторые газообразные соединения, содержащие недоокисленный углерод [pic],

в частности метан, поступают в атмосферу при восстановлении веществ,

происходящем в анаэробных процессах. Хотя при бактериальном разложении

образуется несколько различных газообразных соединений, они быстро

окисляются, и можно считать, что в систему поступает [pic]. Исключением

является метан, поскольку он также влияет на парниковый эффект. В океанах

содержится значительное количество растворённых соединений органического

углерода, процессы окисления которых до [pic] известны ещё недостаточно

хорошо.

Изотопы углерода.

В природе известно семь изотопов углерода, из которых существенную

роль играют три. Два из них - [pic] и [pic] - являются стабильными, а один

- [pic] - радиоактивным с периодом полураспада 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 [pic], 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.

Тщательные измерения содержания атмосферного [pic] были начаты в 1957

году Киллингом в обсерватории Мауна-Лоа. Регулярные измерения содержания

атмосферного [pic] проводятся также на ряде других станций. Из анализа

наблюдений можно заключить, что годовой ход концентрации [pic] 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 [pic] в морской воде.

Третьим, и, вероятно, наименее важным фактором является годовой ход

интенсивности фотосинтеза в океане. Среднее за каждый данный год содержание

[pic] в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники

антропогенного поступления [pic] расположены преимущественно в северном

полушарии. Кроме того, наблюдаются небольшие межгодовые изменения

содержания [pic], которые, вероятно, определяются особенностями общей

циркуляции атмосферы. Из имеющихся данных по изменению концентрации [pic] в

атмосфере основное значение имеют данные о наблюдаемом в течение последних

25 лет регулярном росте содержания атмосферного [pic]. 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 [pic] для 50-х годов

хорошо согласуются с данными обсерватории Мауна-Лоа. 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].

Углерод в почве.

По разным оценкам, суммарное содержание углерода составляет около

[pic] г С. Главная неопределённость существующих оценок обусловлена

недостаточной полнотой сведений о площадях и содержании углерода в

торфяниках планеты.

Более медленный процесс разложения углерода в почвах холодных

климатических зон приводит к большей концентрации углерода почв (на единицу

поверхности) в бореальных лесах и травянистых сообществах средних широт по

сравнению с тропическими экосистемами. Однако только небольшое количество

(несколько процентов или даже меньше) детрита, поступающего ежегодно в

резервуар почв, остаётся в них в течение длительного времени. Большая часть

мёртвого органического вещества окисляется до [pic] за несколько лет. В

чернозёмах около 98% углерода подстилки характеризуется временем оборота

около 5 месяцев, а 2% углерода подстилки остаются в почве в среднем в

течение 500-1000 лет. Эта характерная черта почвообразовательного процесса

проявляется также в том, что возраст почв в средних широтах, определяемый

радиоизотопным методом, составляет от нескольких сотен до тысячи лет и

более. Однако скорость разложения органического вещества при трансформации

земель, занятых естественной растительностью, в сельскохозяйственные угодья

совершенно другая. Например, высказывается мнение, что 50% органического

углерода в почвах, используемых в сельском хозяйстве Северной Америки,

могло быть потеряно вследствие окисления, так как эти почвы начали

эксплуатироваться до начала прошлого века или в самом его начале.

Изменения содержания углерода в

континентальных экосистемах.

За последние 200 лет произошли значительные изменения в

континентальных экосистемах в результате возрастающего антропогенного

воздействия. Когда земли, занятые лесами и травянистыми сообществами,

превращаются в сельскохозяйственные угодья, органическое вещество, т.е.

живое вещество растений и мёртвое органическое вещество почв, окисляется и

поступает в атмосферу в форме [pic]. Какое-то количество элементарного

углерода может также захораниваться в почве в виде древесного угля (как

продукт, оставшийся от сжигания леса) и, таким образом, изыматься из

быстрого оборота в углеродном цикле. Содержание углерода в различных

компонентах экосистем изменяется, поскольку восстановление и деструкция

органического вещества зависят от географической широты и типа

растительности.

Были проведены многочисленные исследования, имевшие своей целью

разрешить существующую неопределённость в оценке изменений запасов углерода

в континентальных экосистемах. Основываясь на данных этих исследований,

можно прийти к выводу о том, что поступление [pic] в атмосферу с 1860 по

1980 год составило [pic] г. С и что в 1980 году биотический выброс углерода

был равен [pic] г. С/год. Кроме того, возможно влияние возрастающих

атмосферных концентраций [pic] и выбросов загрязняющих веществ, таких, как

[pic] и [pic], на интенсивность фотосинтеза и деструкции органического

вещества континентальных экосистем. По-видимому, интенсивность фотосинтеза

растёт с увеличением концентрации [pic] в атмосфере. Наиболее вероятно, что

этот рост характерен для сельскохозяйственных культур, а в естественных

континентальных экосистемах повышение эффективности использования воды

могло бы привести к ускорению образования органического вещества.

Прогнозы концентрации углекислого

газа в атмосфере на будущее.

Основные выводы.

За последние десятилетия было создано большое количество моделей

глобального углеродного цикла, рассматривать которые в данной работе не

представляется целесообразным из-за того, что они в достаточной мере сложны

и объёмны. Рассмотрим лишь кратко основные их выводы. Различные сценарии,

использованные для прогноза содержания [pic] в атмосфере в будущем, дали

сходные результаты. Ниже приведёна попытка подвести общий итог наших

сегодняшних знаний и предположений, касающихся проблемы антропогенного

изменения концентрации [pic] в атмосфере.

. С 1860 по 1984 год в атмосферу поступило [pic] г. За счёт сжигания

ископаемого топлива, скорость выброса [pic] в настоящее время (по

данным на 1984 год) равна [pic] г. С/год.

. В течение этого же периода времени поступление [pic] в атмосферу за

вырубки лесов и изменения характера землепользования составило [pic]

г. С, интенсивность этого поступления в настоящее время равна [pic]

г. С/год.

. С середины прошлого века концентрация [pic] в атмосфере увеличилась

от [pic] до [pic] млн.[pic] в 1984 году.

. Основные характеристики глобального углеродного цикла хорошо

изучены. Стало возможным создание количественных моделей, которые

могут быть положены в основу прогнозов роста концентрации [pic] в

атмосфере при использовании определённых сценариев выброса.

. Неопределённости прогнозов вероятных изменений концентрации [pic] в

будущем, получаемых на основе сценариев выбросов, значительно меньше

значительно меньше неопределённостей самих сценариев выбросов.

. Если интенсивность выбросов [pic] в атмосферу в течение ближайших

четырёх десятилетий останется постоянной или будет возрастать очень

медленно (не более 0,5% в год) и в более отдалённом будущем также

будет расти очень медленно, то к концу XXI века концентрация

атмосферного [pic] составит около 440 млн.[pic], т.е. не более, чем

на 60% превысит доиндустриальный уровень.

. Если интенсивность выбросов [pic] в течение ближайших четырёх

десятилетий будет возрастать в среднем на 1-2 % в год, т.е. также,

как она возрастала с 1973 года до настоящего времени, а в более

отдалённом будущем темпы её роста замедлятся, то удвоение содержания

[pic] в атмосфере по сравнению с доиндустриальным уровнем произойдёт

к концу XXI века.

Список литературы.

1. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. / Под редакцией Б.

Болина, Б. Р. Десса, Дж. Ягера, Р. Уоррика. / Ленинград, Гидрометеоиздат

- 1989.

2. М. И. Будыко. Климат и жизнь. / Ленинград, Гидрометеоиздат - 1971.

3. М. И. Будыко. Изменения климата. / Ленинград, Гидрометеоиздат - 1974.

4. Д. П. Никитин, Ю. В. Новиков – “Окружающая среда и человек”