Struktura i bilans gazów w atmosferze. Skład atmosfery Skład atmosfery ziemskiej

Czy naprawdę nic nie jest w stanie regulować ilości gazów cieplarnianych w atmosferze? Oczywiście, że może. Tlen spełnia to zadanie doskonale. Problem polega jednak na tym, że populacja planety nieubłaganie rośnie, co oznacza, że ​​zużywa się coraz więcej tlenu. Naszym jedynym ratunkiem jest roślinność, zwłaszcza lasy. Pochłaniają nadmiar dwutlenku węgla i uwalniają znacznie więcej tlenu niż człowiek zużywa.

Efekt cieplarniany a klimat Ziemi

Kiedy mówimy o konsekwencjach efektu cieplarnianego, rozumiemy jego wpływ na klimat Ziemi. Po pierwsze, jest to globalne ocieplenie. Wiele osób utożsamia pojęcia „efektu cieplarnianego” i „globalnego ocieplenia”, ale nie są one sobie równe, ale są ze sobą powiązane: pierwsze jest przyczyną drugiego.

Globalne ocieplenie jest bezpośrednio powiązane z oceanami. Oto przykład dwóch związków przyczynowo-skutkowych.

1. Średnia temperatura planety rośnie, ciecz zaczyna parować. Dotyczy to również Oceanu Światowego: niektórzy naukowcy obawiają się, że za kilkaset lat zacznie on „wysychać”.
2. Jednocześnie z powodu wysokich temperatur w najbliższej przyszłości lodowce i lód morski zaczną aktywnie topnieć. Doprowadzi to do nieuniknionego wzrostu poziomu mórz.

Już teraz obserwujemy regularne powodzie na obszarach przybrzeżnych, ale jeśli poziom Oceanu Światowego znacznie się podniesie, wszystkie pobliskie obszary lądowe zostaną zalane, a plony zginą.

Wpływ na życie ludzi

Nie zapominajmy, że wzrost średniej temperatury Ziemi będzie miał wpływ na nasze życie. Konsekwencje mogą być bardzo poważne. Wiele obszarów naszej planety, już i tak narażonych na suszę, stanie się całkowicie nie do życia, ludzie zaczną masowo migrować do innych regionów. Nieuchronnie doprowadzi to do problemów społeczno-gospodarczych i wybuchu trzeciej i czwartej wojny światowej. Brak żywności, zniszczenie plonów – to czeka nas w następnym stuleciu.

Ale czy to musi czekać? A może da się jeszcze coś zmienić? Czy ludzkość może zmniejszyć szkody spowodowane efektem cieplarnianym?

Działania, które mogą uratować Ziemię

Dziś znane są wszystkie szkodliwe czynniki prowadzące do akumulacji gazów cieplarnianych i wiemy, co należy zrobić, aby temu zapobiec. Nie myśl, że jedna osoba nic nie zmieni. Oczywiście efekt może osiągnąć tylko cała ludzkość, ale kto wie – może w tej chwili podobny artykuł czyta jeszcze sto osób?

Ochrona lasu

Zatrzymanie wylesiania. Rośliny to nasze zbawienie! Ponadto konieczne jest nie tylko zachowanie istniejących lasów, ale także aktywne sadzenie nowych.

Każdy powinien zrozumieć ten problem.

Fotosynteza jest tak potężna, że ​​może dostarczyć nam ogromne ilości tlenu. To wystarczy do normalnego życia ludzi i eliminacji szkodliwych gazów z atmosfery.

Korzystanie z pojazdów elektrycznych

Odmowa korzystania z pojazdów napędzanych paliwem. Każdy samochód emituje każdego roku ogromną ilość gazów cieplarnianych, więc dlaczego nie dokonać zdrowszego wyboru dla środowiska? Naukowcy już oferują nam samochody elektryczne – samochody przyjazne dla środowiska, które nie zużywają paliwa. Minus samochodu „paliwowego” to kolejny krok w stronę eliminacji gazów cieplarnianych. Na całym świecie próbują przyspieszyć to przejście, ale jak dotąd nowoczesny rozwój takich maszyn jest daleki od doskonałości. Nawet w Japonii, gdzie takie samochody są używane najczęściej, nie są one gotowe, aby całkowicie przejść na ich użytkowanie.

Alternatywa dla paliw węglowodorowych

Wynalezienie energii alternatywnej. Ludzkość nie stoi w miejscu, więc dlaczego utknęliśmy w oparciu o węgiel, ropę i gaz? Spalanie tych naturalnych składników prowadzi do akumulacji gazów cieplarnianych w atmosferze, dlatego czas przejść na przyjazną dla środowiska formę energii.

Nie możemy całkowicie porzucić wszystkiego, co emituje szkodliwe gazy. Ale możemy pomóc zwiększyć zawartość tlenu w atmosferze. Nie tylko prawdziwy mężczyzna powinien sadzić drzewo – każdy musi to zrobić!

Atmosfera (z greckiego atmoc – para i kula – kula) to gazowa (powietrzna) powłoka Ziemi, obracająca się wraz z nią. Życie na Ziemi jest możliwe tak długo, jak istnieje atmosfera. Wszystkie żywe organizmy do oddychania wykorzystują powietrze atmosferyczne; atmosfera chroni przed szkodliwym działaniem promieni kosmicznych i temperaturami niszczącymi organizmy żywe, zimnym „oddechem” kosmosu.

Powietrze atmosferyczne to mieszanina gazów tworzących atmosferę ziemską. Powietrze jest bezwonne, przezroczyste, ma gęstość 1,2928 g/l, rozpuszczalność w wodzie 29,18 cm~/l, a w stanie ciekłym przyjmuje niebieskawą barwę. Życie ludzkie nie jest możliwe bez powietrza, bez wody i jedzenia, ale jeśli człowiek może żyć bez jedzenia przez kilka tygodni, bez wody - przez kilka dni, wówczas śmierć z powodu uduszenia następuje po 4-5 minutach.

Głównymi składnikami atmosfery są: azot, tlen, argon i dwutlenek węgla. Oprócz argonu w małych stężeniach zawarte są inne gazy obojętne. Powietrze atmosferyczne zawsze zawiera parę wodną (około 3 – 4%) oraz cząstki stałe – pył.

Atmosfera ziemska dzieli się na dolną (do 100 km) homosferę o jednorodnym składzie powietrza powierzchniowego i górną heterosferę o niejednorodnym składzie chemicznym. Jedną z ważnych właściwości atmosfery jest obecność tlenu. W pierwotnej atmosferze Ziemi nie było tlenu. Jego pojawienie się i akumulacja wiąże się z rozprzestrzenianiem się roślin zielonych i procesem fotosyntezy. W wyniku chemicznego oddziaływania substancji z tlenem organizmy żywe otrzymują energię niezbędną do życia.

Poprzez atmosferę następuje wymiana substancji pomiędzy Ziemią a Kosmosem, podczas gdy Ziemia otrzymuje pył kosmiczny i meteoryty, a traci najlżejsze gazy – wodór i hel. Atmosferę przenika silne promieniowanie słoneczne, które określa reżim termiczny powierzchni planety, powoduje dysocjację cząsteczek gazów atmosferycznych i jonizację atomów. Ogromna, cienka górna atmosfera składa się głównie z jonów.

Właściwości fizyczne i stan atmosfery zmieniają się w czasie: w ciągu dnia, pór roku, lat - a także w przestrzeni, w zależności od wysokości nad poziomem morza, szerokości geograficznej i odległości od oceanu.

Struktura atmosfery

Atmosfera, której całkowita masa wynosi 5,15 10" ton, rozciąga się w górę od powierzchni Ziemi na odległość około 3 tysięcy km. Skład chemiczny i właściwości fizyczne atmosfery zmieniają się wraz z wysokością, dlatego dzieli się ją na troposferę, stratosferę, mezosferę, jonosferę (termosferę) i egzosferę.

Większość powietrza w atmosferze (do 80%) znajduje się w dolnej, przyziemnej warstwie – troposferze. Grubość troposfery wynosi średnio 11–12 km: 8–10 km nad biegunami, 16–18 km nad równikiem. Podczas oddalania się od powierzchni Ziemi w troposferze temperatura spada o 6 "C na 1 km (ryc. 8). Na wysokości 18 - 20 km płynny spadek temperatury zatrzymuje się, pozostaje prawie stały: - 60 ... - 70" C. Ta część atmosfery nazywana jest tropopauzą. Kolejna warstwa - stratosfera - zajmuje wysokość 20 - 50 km od powierzchni Ziemi. W nim koncentruje się reszta (20%) powietrza. Tutaj temperatura wzrasta wraz z odległością od powierzchni Ziemi o 1 – 2”C na 1 km, a w stratopauzie na wysokości 50 – 55 km osiąga 0”C. Dalej, na wysokości 55-80 km, znajduje się mezosfera. Podczas oddalania się od Ziemi temperatura spada o 2 - 3 "C na 1 km, a na wysokości 80 km, w mezopauzie, osiąga - 75... - 90" C. Najbardziej rozrzedzonymi częściami atmosfery są termosfera i egzosfera, zajmujące odpowiednio wysokości 80–1000 i 1000–2000 km. Znajdują się tu tylko pojedyncze cząsteczki, atomy i jony gazów, których gęstość jest miliony razy mniejsza niż gęstość powierzchni Ziemi. Ślady gazów odkryto do wysokości 10–20 tys. km.

Grubość powłoki powietrznej jest stosunkowo niewielka w porównaniu z odległościami kosmicznymi: wynosi jedną czwartą promienia Ziemi i jedną dziesięciotysięczną odległości Ziemi od Słońca. Gęstość atmosfery na poziomie morza wynosi 0,001 g/cm~, tj. tysiąc razy mniejsza niż gęstość wody.

Pomiędzy atmosferą, powierzchnią ziemi i innymi sferami Ziemi zachodzi ciągła wymiana ciepła, wilgoci i gazów, co wraz z cyrkulacją mas powietrza w atmosferze wpływa na główne procesy klimatycznotwórcze. Atmosfera chroni organizmy żywe przed potężnym przepływem promieniowania kosmicznego. Co sekundę strumień promieni kosmicznych uderza w górne warstwy atmosfery: gamma, promieniowanie rentgenowskie, ultrafiolet, światło widzialne, podczerwień. Gdyby wszyscy dotarli na powierzchnię ziemi, w ciągu kilku chwil zniszczyliby całe życie.

Najważniejszą wartość ochronną ma ekran ozonowy. Znajduje się w stratosferze na wysokości od 20 do 50 km od powierzchni Ziemi. Całkowita ilość ozonu (Oz) w atmosferze szacowana jest na 3,3 miliarda ton. Grubość tej warstwy jest stosunkowo niewielka: w normalnych warunkach wynosi ona 2 mm na równiku i 4 mm na biegunach. Maksymalne stężenie ozonu – 8 części na milion części powietrza – występuje na wysokości 20 – 25 km.

Głównym zadaniem ekranu ozonowego jest ochrona organizmów żywych przed twardym promieniowaniem ultrafioletowym. Część jego energii jest zużywana na reakcję: SO2 ↔ SO3. Ekran ozonowy pochłania promienie ultrafioletowe o długości fali około 290 nm lub mniejszej, dzięki czemu do powierzchni ziemi docierają promienie ultrafioletowe, które są korzystne dla wyższych zwierząt i ludzi, a szkodliwe dla mikroorganizmów. Zaobserwowane na początku lat 80. XX wieku niszczenie warstwy ozonowej tłumaczy się stosowaniem freonów w urządzeniach chłodniczych i emisją do atmosfery aerozoli wykorzystywanych w życiu codziennym. Emisje freonów na świecie osiągnęły wówczas 1,4 mln ton rocznie, a udział poszczególnych krajów w zanieczyszczeniu powietrza freonami wyniósł: 35% – USA, po 10% – Japonia i Rosja, 40% – kraje EWG, 5% – inne kraje. Skoordynowane działania umożliwiły ograniczenie emisji freonów do atmosfery. Loty naddźwiękowych samolotów i statków kosmicznych mają niszczycielski wpływ na warstwę ozonową.

Atmosfera chroni Ziemię przed licznymi meteorytami. Co sekundę do atmosfery dostaje się nawet 200 milionów meteorytów, widocznych gołym okiem, ale spalających się w atmosferze. Małe cząstki kosmicznego pyłu spowalniają swój ruch w atmosferze. Codziennie na Ziemię spada około 10 cali małych meteorytów. Prowadzi to do wzrostu masy Ziemi o 1 tysiąc ton rocznie. Atmosfera jest filtrem termoizolacyjnym. Bez atmosfery różnica temperatur na Ziemi w ciągu dnia osiągnęłaby 200" C (od 100" C po południu do - 100" C w nocy).

Dla wszystkich organizmów żywych największe znaczenie ma stosunkowo stały skład powietrza atmosferycznego w troposferze. Bilans gazów w atmosferze jest utrzymywany dzięki stale zachodzącym procesom ich wykorzystania przez organizmy żywe i uwalnianiu gazów do atmosfery. Azot uwalniany jest podczas potężnych procesów geologicznych (erupcje wulkanów, trzęsienia ziemi) oraz podczas rozkładu związków organicznych. Azot jest usuwany z powietrza w wyniku działania bakterii guzkowych.

Jednakże w ostatnich latach nastąpiła zmiana bilansu azotu w atmosferze w wyniku działalności gospodarczej człowieka. Wiązanie azotu podczas produkcji nawozów azotowych znacznie wzrosło. Zakłada się, że w najbliższej przyszłości wielkość wiązania azotu w przemyśle znacznie wzrośnie i przekroczy jego uwalnianie do atmosfery. Przewiduje się, że produkcja nawozów azotowych będzie się podwajać co 6 lat. Zaspokaja to rosnące zapotrzebowanie rolnictwa na nawozy azotowe. Nierozwiązana pozostaje jednak kwestia kompensacji usuwania azotu z powietrza atmosferycznego. Jednak ze względu na ogromną całkowitą ilość azotu w atmosferze problem ten nie jest tak poważny, jak bilans tlenu i dwutlenku węgla.

Około 3,5 - 4 miliardy lat temu zawartość tlenu w atmosferze była 1000 razy mniejsza niż obecnie, ponieważ nie było głównych producentów tlenu - roślin zielonych. Obecny stosunek tlenu i dwutlenku węgla jest utrzymywany przez żywotną aktywność organizmów żywych. W wyniku fotosyntezy rośliny zielone zużywają dwutlenek węgla i wydzielają tlen. Służy do oddychania wszystkim organizmom żywym. Naturalne procesy zużycia CO3 i O2 oraz ich uwalniania do atmosfery są dobrze zrównoważone.

Wraz z rozwojem przemysłu i transportu tlen jest wykorzystywany w procesach spalania w coraz większych ilościach. Przykładowo podczas jednego lotu transatlantyckiego odrzutowiec spala 35 ton tlenu. Samochód osobowy na dystansie 1,5 tys. kilometrów zużywa dzienne zapotrzebowanie na tlen jednej osoby (przeciętnie człowiek zużywa dziennie 500 litrów tlenu, przepuszczając przez płuca 12 ton powietrza). Zdaniem ekspertów do spalania różnych rodzajów paliw potrzeba obecnie od 10 do 25% tlenu wytwarzanego przez rośliny zielone. Dopływ tlenu do atmosfery zmniejsza się w wyniku zmniejszania się powierzchni lasów, sawann, stepów i zwiększania się obszarów pustynnych, rozwoju miast i autostrad transportowych. Liczba producentów tlenu wśród roślin wodnych maleje w wyniku zanieczyszczenia rzek, jezior, mórz i oceanów. Uważa się, że w ciągu najbliższych 150–180 lat ilość tlenu w atmosferze zmniejszy się o jedną trzecią w porównaniu z obecną zawartością.

Zużycie rezerw tlenu wzrasta jednocześnie z równoważnym wzrostem emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Według ONZ w ciągu ostatnich 100 lat ilość CO~ w atmosferze ziemskiej wzrosła o 10 - 15%. Jeśli zamierzona tendencja się utrzyma, to w trzecim tysiącleciu ilość CO~ w atmosferze może wzrosnąć o 25%, tj. od 0,0324 do 0,04% objętości suchego powietrza atmosferycznego. Niewielki wzrost zawartości dwutlenku węgla w atmosferze wpływa pozytywnie na produktywność roślin rolniczych. Zatem gdy powietrze w szklarniach zostanie nasycone dwutlenkiem węgla, plon warzyw wzrasta w wyniku intensyfikacji procesu fotosyntezy. Jednakże wraz ze wzrostem poziomu CO2 w atmosferze pojawiają się złożone problemy globalne, które zostaną omówione poniżej.

Atmosfera jest jednym z głównych czynników meteorologicznych i klimatotwórczych. System klimatycznotwórczy obejmuje atmosferę, ocean, powierzchnię lądu, kriosferę i biosferę. Charakterystyki ruchowe i bezwładnościowe tych elementów są różne; mają one różne czasy reakcji na zakłócenia zewnętrzne w sąsiednich układach. Zatem w przypadku atmosfery i powierzchni lądu czas reakcji wynosi kilka tygodni lub miesięcy. Atmosfera jest związana z procesami cyrkulacji wilgoci i ciepła oraz aktywnością cyklonową.

Efekt cieplarniany w atmosferze naszej planety spowodowany jest faktem, że przepływ energii w zakresie podczerwieni widma, unoszący się z powierzchni Ziemi, jest pochłaniany przez cząsteczki gazów atmosferycznych i wypromieniowywany z powrotem w różnych kierunkach, w rezultacie połowa energii pochłoniętej przez cząsteczki gazów cieplarnianych wraca z powrotem na powierzchnię Ziemi, powodując jej ogrzanie Należy zaznaczyć, że efekt cieplarniany jest naturalnym zjawiskiem atmosferycznym (ryc. 5). Gdyby na Ziemi w ogóle nie było efektu cieplarnianego, to średnia temperatura na naszej planecie wynosiłaby około -21°C, ale dzięki gazom cieplarnianym jest to +14°C. Zatem czysto teoretycznie działalność człowieka związana z emisją gazów cieplarnianych do atmosfery ziemskiej powinna prowadzić do dalszego nagrzewania się planety. Głównymi gazami cieplarnianymi, według szacunkowego wpływu na bilans cieplny Ziemi, są para wodna (36-70%), dwutlenek węgla (9-26%), metan (4-9%), halowęglowodory, tlenek azotu.

Ryż.

Elektrownie węglowe, kominy fabryczne, spaliny samochodowe i inne źródła zanieczyszczeń spowodowane przez człowieka emitują do atmosfery łącznie około 22 miliardów ton dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych rocznie. Hodowla zwierząt, stosowanie nawozów, spalanie węgla i inne źródła wytwarzają około 250 milionów ton metanu rocznie. Około połowa wszystkich gazów cieplarnianych emitowanych przez ludzkość pozostaje w atmosferze. Około trzy czwarte wszystkich antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych w ciągu ostatnich 20 lat jest spowodowane zużyciem ropy naftowej, gazu ziemnego i węgla (rysunek 6). Większość pozostałych jest spowodowana zmianami w krajobrazie, głównie wylesianiem.

Ryż.

para wodna– najważniejszy obecnie gaz cieplarniany. Para wodna bierze jednak także udział w wielu innych procesach, co sprawia, że ​​jej rola w różnych warunkach jest niejednoznaczna.

Przede wszystkim podczas parowania z powierzchni Ziemi i dalszej kondensacji w atmosferze aż 40% całego ciepła wchodzącego do atmosfery jest przekazywane w wyniku konwekcji do niższych warstw atmosfery (troposfery). Tym samym, gdy para wodna odparowuje, nieznacznie obniża temperaturę powierzchni. Jednak ciepło uwolnione w wyniku kondensacji w atmosferze powoduje jej ogrzanie, a następnie ogrzanie powierzchni samej Ziemi.

Jednak po skropleniu pary wodnej powstają kropelki wody lub kryształki lodu, które intensywnie uczestniczą w procesach rozpraszania światła słonecznego, odbijając część energii słonecznej z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Chmury będące po prostu nagromadzeniem tych kropelek i kryształów zwiększają udział energii słonecznej (albedo) odbitej przez samą atmosferę z powrotem w przestrzeń kosmiczną (po czym opady z chmur mogą spaść w postaci śniegu, zwiększając albedo powierzchni ).

Jednak para wodna, nawet skondensowana w kropelki i kryształy, nadal ma silne pasma absorpcji w zakresie widma w podczerwieni, co oznacza, że ​​rola tych samych chmur jest daleka od jasnej. Ta dwoistość jest szczególnie widoczna w następujących skrajnych przypadkach - gdy niebo jest pokryte chmurami podczas słonecznej letniej pogody, temperatura powierzchni spada, a jeśli to samo dzieje się w zimową noc, to wręcz przeciwnie, wzrasta. Na końcowy wynik wpływa także położenie chmur – na małych wysokościach grube chmury odbijają dużo energii słonecznej, a bilans może w tym przypadku wychodzić na korzyść efektu antycieplarnianego, ale na dużych wysokościach cienkie cirrusy chmury przepuszczają w dół dość dużo energii słonecznej, ale nawet cienkie chmury są niemal nie do pokonania przeszkodą dla promieniowania podczerwonego i i tu możemy mówić o przewadze efektu cieplarnianego.

Inna cecha pary wodnej – wilgotna atmosfera, w pewnym stopniu przyczynia się do wiązania innego gazu cieplarnianego – dwutlenku węgla i jego przenoszenia wraz z opadami atmosferycznymi na powierzchnię Ziemi, gdzie w wyniku dalszych procesów może zostać skonsumowana powstawanie węglanów i minerałów palnych.

Działalność człowieka ma bardzo słaby bezpośredni wpływ na zawartość pary wodnej w atmosferze - jedynie ze względu na wzrost powierzchni gruntów nawodnionych, zmiany w obszarze bagien i pracę energii, która jest znikoma w stosunku do tło parowania z całej powierzchni wody Ziemi i aktywność wulkaniczna. Z tego powodu dość często przywiązuje się do tego niewielką wagę przy rozważaniu problemu efektu cieplarnianego.

Jednakże pośredni wpływ na zawartość pary wodnej może być bardzo duży ze względu na sprzężenia zwrotne pomiędzy zawartością pary wodnej w atmosferze a ociepleniem powodowanym przez inne gazy cieplarniane, co teraz rozważymy.

Wiadomo, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również parowanie pary wodnej, a na każde 10°C możliwa zawartość pary wodnej w powietrzu niemal się podwaja. Na przykład w temperaturze 0°C prężność pary nasyconej wynosi około 6 MB, w temperaturze +10°C – 12 MB, a w temperaturze +20°C – 23 MB.

Można zauważyć, że zawartość pary wodnej silnie zależy od temperatury, a gdy z jakiegoś powodu maleje, po pierwsze, zmniejsza się efekt cieplarniany samej pary wodnej (ze względu na zmniejszoną zawartość), a po drugie, następuje kondensacja pary wodnej, co oczywiście mocno hamuje spadek temperatury w wyniku uwolnienia ciepła kondensacji, jednak po kondensacji zwiększa się odbicie energii słonecznej, zarówno w samej atmosferze (rozpraszanie na kropelkach i kryształkach lodu), jak i na powierzchni (opady śniegu) co dodatkowo obniża temperaturę.

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta zawartość pary wodnej w atmosferze, narasta jej efekt cieplarniany, co intensyfikuje początkowy wzrost temperatury. W zasadzie zachmurzenie również wzrasta (więcej pary wodnej przedostaje się do stosunkowo zimnych obszarów), ale niezwykle słabo - według I. Mokhova około 0,4% na stopień ocieplenia, co nie może znacząco wpłynąć na wzrost odbicia energii słonecznej.

Dwutlenek węgla- drugi co do wielkości współcześnie czynnik przyczyniający się do efektu cieplarnianego, nie zamarza, gdy temperatura spada i nadal powoduje efekt cieplarniany nawet przy najniższych możliwych temperaturach w warunkach lądowych. Prawdopodobnie to właśnie dzięki stopniowemu gromadzeniu się dwutlenku węgla w atmosferze w wyniku działalności wulkanicznej Ziemi udało się wyjść ze stanu potężnych zlodowaceń (kiedy nawet równik pokryty był grubą warstwą lodu), do którego wpadł na początku i na końcu proterozoiku.

Dwutlenek węgla bierze udział w potężnym obiegu węgla w układzie litosfera-hydrosfera-atmosfera, a zmiany klimatu Ziemi wiążą się przede wszystkim ze zmianami w równowadze jego wejścia do atmosfery i usunięcia z niej.

Ze względu na stosunkowo dużą rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie, zawartość dwutlenku węgla w hydrosferze (głównie oceanach) wynosi obecnie 4x104 Gt (gigaton) węgla (odtąd podawane są dane dotyczące CO2 w przeliczeniu na węgiel), łącznie z warstwami głębokimi (Putvinsky, 1998). Atmosfera zawiera obecnie około 7,5 x 102 Gt węgla (Alekseev i in., 1999). Zawartość CO2 w atmosferze nie zawsze była niska – np. w Archaiku (około 3,5 miliarda lat temu) atmosfera składała się w prawie 85-90% z dwutlenku węgla, przy znacznie wyższym ciśnieniu i temperaturze (Sorokhtin, Ushakov, 1997). Jednakże dostarczenie znacznych mas wody na powierzchnię Ziemi w wyniku odgazowania wnętrza, a także pojawienie się życia, zapewniło związanie prawie całego atmosferycznego i znacznej części dwutlenku węgla rozpuszczonego w wodzie w postaci węglanów (około 5,5x107 Gt węgla jest magazynowane w litosferze (raport IPCC, 2000)). Ponadto dwutlenek węgla zaczął być przekształcany przez organizmy żywe w różne formy palnych minerałów. Ponadto do wiązania części dwutlenku węgla doszło także w wyniku akumulacji biomasy, której całkowite zasoby węgla są porównywalne z tymi w atmosferze, a biorąc pod uwagę glebę, są kilkukrotnie wyższe.

Nas jednak interesują przede wszystkim przepływy, które dostarczają dwutlenek węgla do atmosfery i usuwają go z niej. Litosfera zapewnia obecnie bardzo mały przepływ dwutlenku węgla przedostającego się do atmosfery, głównie w wyniku aktywności wulkanicznej – około 0,1 Gt węgla rocznie (Putvinsky, 1998). Znacząco duże przepływy obserwuje się w oceanie (wraz z żyjącymi tam organizmami) - atmosferze oraz w układach flory i flory lądowej - atmosferze. Około 92 Gt węgla rocznie przedostaje się do oceanu z atmosfery, a 90 Gt wraca do atmosfery (Putvinsky, 1998). W ten sposób ocean rocznie usuwa z atmosfery około 2 Gt węgla. Jednocześnie podczas procesów oddychania i rozkładu ziemskich martwych istot żywych do atmosfery przedostaje się około 100 Gt węgla rocznie. Roślinność lądowa w procesach fotosyntezy usuwa z atmosfery także około 100 Gt węgla (Putvinsky, 1998). Jak widać mechanizm pobierania i usuwania węgla z atmosfery jest dość zrównoważony, zapewniając w przybliżeniu równe przepływy. Współczesna działalność człowieka obejmuje w tym mechanizmie coraz większy dodatkowy dopływ węgla do atmosfery na skutek spalania paliw kopalnych (ropy, gazu, węgla itp.) – według danych m.in. za lata 1989-99, średnio około 6,3 Gt rocznie. Zwiększa się także dopływ węgla do atmosfery na skutek wylesiania i częściowego wypalania lasów – do 1,7 Gt rocznie (raport IPCC, 2000), podczas gdy przyrost biomasy przyczyniającej się do absorpcji CO2 wynosi jedynie około 0,2 Gt rocznie zamiast prawie 2 Gt rocznie. Nawet biorąc pod uwagę możliwość absorpcji przez ocean około 2 Gt dodatkowego węgla, nadal utrzymuje się dość znaczny dodatkowy przepływ (obecnie około 6 Gt rocznie), zwiększający zawartość dwutlenku węgla w atmosferze. Ponadto absorpcja dwutlenku węgla przez ocean może w najbliższej przyszłości zmniejszyć się, a możliwy jest nawet proces odwrotny - uwolnienie dwutlenku węgla z Oceanu Światowego. Dzieje się tak na skutek spadku rozpuszczalności dwutlenku węgla wraz ze wzrostem temperatury wody – np. gdy temperatura wody wzrasta z zaledwie 5 do 10°C, współczynnik rozpuszczalności dwutlenku węgla w niej spada z około 1,4 do 1,2.

Zatem dopływ dwutlenku węgla do atmosfery spowodowany działalnością gospodarczą nie jest duży w porównaniu z niektórymi przepływami naturalnymi, ale jego niekompensacja prowadzi do stopniowej akumulacji CO2 w atmosferze, co niszczy równowagę napływu i wydobycia CO2, która wykształciła się na przestrzeni lat miliardy lat ewolucji Ziemi i życia na niej.

Liczne fakty z przeszłości geologicznej i historycznej wskazują na związek między zmianami klimatycznymi a wahaniami gazów cieplarnianych. W okresie od 4 do 3,5 miliarda lat temu jasność Słońca była o około 30% mniejsza niż obecnie. Jednak nawet pod promieniami młodego, „bladego” Słońca na Ziemi rozwinęło się życie i powstały skały osadowe: przynajmniej na części powierzchni ziemi temperatura była powyżej punktu zamarzania wody. Niektórzy naukowcy sugerują, że w tamtym czasie atmosfera ziemska zawierała 1000 razy więcej osi dwutlenek węgla niż obecnie, co rekompensowało brak energii słonecznej, ponieważ więcej ciepła emitowanego przez Ziemię pozostawało w atmosferze. Narastający efekt cieplarniany może być jedną z przyczyn wyjątkowo ciepłego klimatu w dalszej części ery mezozoicznej (ery dinozaurów). Z analizy pozostałości kopalnych wynika, że ​​na Ziemi było wówczas o 10–15 stopni cieplej niż obecnie. Należy zauważyć, że wtedy, 100 milionów lat temu i wcześniej, kontynenty zajmowały inne położenie niż za naszych czasów, a cyrkulacja oceaniczna też była inna, więc transfer ciepła z tropików do rejonów polarnych mógł być większy. Jednak obliczenia Erica J. Barrona, obecnie na Uniwersytecie Pensylwanii, i innych badaczy wskazują, że geografia paleokontynentalna może odpowiadać za nie więcej niż połowę mezozoicznego ocieplenia. Pozostałą część ocieplenia można łatwo wytłumaczyć rosnącym poziomem dwutlenku węgla. Założenie to jako pierwsi wysunęli radzieccy naukowcy A. B. Ronov z Państwowego Instytutu Hydrologicznego i M. I. Budyko z Głównego Obserwatorium Geofizycznego. Obliczenia potwierdzające tę propozycję przeprowadzili Eric Barron, Starley L. Thompson z Narodowego Centrum Badań Atmosferycznych (NCAR). Na podstawie modelu geochemicznego opracowanego przez Roberta A. Bernera i Antonio C. Lasagę z Uniwersytetu Yale oraz zmarłego Roberta. Pola w Teksasie zamieniły się w pustynię po trwającej przez jakiś czas suszy w 1983 roku. Obraz ten, jak pokazują obliczenia z wykorzystaniem modeli komputerowych, można zaobserwować w wielu miejscach, jeśli w wyniku globalnego ocieplenia zawilgocenie gleb w centralnych rejonach kontynentów maleje tam, gdzie koncentruje się produkcja zbóż.

M. Garrelsa z Uniwersytetu Południowej Florydy wynika, że ​​dwutlenek węgla może zostać uwolniony podczas wyjątkowo silnej aktywności wulkanicznej na grzbietach śródoceanicznych, gdzie wznosząca się magma tworzy nowe dno oceanu. Bezpośrednie dowody wskazujące na związek występujących w czasie zlodowaceń atmosferycznych gazów cieplarnianych z klimatem można „wyekstrahować” z pęcherzyków powietrza zawartych w lodzie Antarktyki, który powstał w starożytności w wyniku zagęszczenia padającego śniegu. Zespół badaczy pod kierownictwem Claude'a Laurieux z Laboratorium Glacjologii i Geofizyki w Grenoble zbadał kolumnę lodu o długości 2000 m (odpowiadającą okresowi 160 tys. lat) pozyskaną przez sowieckich badaczy na stacji Wostok na Antarktydzie. Analiza laboratoryjna gazów zawartych w tej kolumnie lodu wykazała, że ​​w starożytnej atmosferze stężenia dwutlenku węgla i metanu zmieniały się harmonijnie, a co ważniejsze, „w czasie” ze zmianami średniej lokalnej temperatury (określała to stosunek stężeń izotopów wodoru w cząsteczkach wody). W czasie ostatniego interglacjału, który trwał 10 tys. lat, oraz w poprzedzającym go interglacjale (130 tys. lat temu), który również trwał 10 tys. lat, średnia temperatura na tym obszarze była o 10 stopni wyższa niż podczas zlodowaceń. (Ogólnie w tych okresach na Ziemi było o 5 stopni cieplej.) W tych samych okresach atmosfera zawierała o 25% więcej dwutlenku węgla i 100 070 metanu więcej niż podczas zlodowaceń. Nie jest jasne, czy zmiany w gazach cieplarnianych były przyczyną, a zmiany klimatyczne konsekwencją, czy odwrotnie. Najprawdopodobniej przyczyną zlodowaceń były zmiany orbity Ziemi i szczególna dynamika postępu i cofania się lodowców; jednakże te wahania klimatyczne mogły zostać wzmocnione przez zmiany w faunie i florze oraz wahania w cyrkulacji oceanicznej, które wpływają na zawartość gazów cieplarnianych w atmosferze. Jeszcze bardziej szczegółowe dane na temat wahań gazów cieplarnianych i zmian klimatycznych są dostępne za ostatnie 100 lat, podczas których nastąpił dalszy wzrost stężenia dwutlenku węgla o 25% i 100% metanu. „Rekord” średniej globalnej temperatury w ciągu ostatnich 100 lat zbadały dwa zespoły badaczy, pod przewodnictwem Jamesa E. Hansena z Instytutu Studiów Kosmicznych im. Goddarda Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej oraz T. M. L. Wigleya z Wydziału Klimatu Uniwersytetu Wschodniego. Anglia.

Zatrzymywanie ciepła przez atmosferę jest głównym składnikiem bilansu energetycznego Ziemi (ryc. 8). Około 30% energii pochodzącej ze Słońca odbija się (pozostaje) od chmur, cząstek lub powierzchni Ziemi; pozostałe 70% jest wchłaniane. Pochłonięta energia jest ponownie wypromieniowywana w podczerwieni przez powierzchnię planety.

Ryż.

Naukowcy ci wykorzystali pomiary ze stacji pogodowych rozsianych po wszystkich kontynentach (zespół Wydziału Klimatu uwzględnił w analizie także pomiary na morzu). Jednocześnie obie grupy przyjęły odmienne metody analizy obserwacji i uwzględniania „zniekształceń” związanych np. z faktem, że niektóre stacje pogodowe „przeniosły się” w inne miejsce na przestrzeni stu lat, a inne zlokalizowane w miastach dały dane, które zostały „zanieczyszczone” » wpływem ciepła wytwarzanego przez przedsiębiorstwa przemysłowe lub akumulowanego w ciągu dnia przez budynki i chodniki. Ten ostatni efekt, prowadzący do powstania wysp ciepła, jest bardzo zauważalny w krajach rozwiniętych, takich jak Stany Zjednoczone. Jednak nawet jeśli korektę obliczoną dla Stanów Zjednoczonych (uzyskali ją Thomas R. Karl z National Climatic Data Center w Asheville w Północnej Karolinie i P. D. Jones z University of East Anglia) rozciągnąć na wszystkie dane na świecie , w obu wpisach pozostanie „<реальное» потепление величиной 0,5 О С, относящееся к последним 100 годам. В согласии с общей тенденцией 1980-е годы остаются самым теплым десятилетием, а 1988, 1987 и 1981 гг. - наиболее теплыми годами (в порядке перечисления). Можно ли считать это «сигналом» парникового потепления? Казалось бы, можно, однако в действительности факты не столь однозначны. Возьмем для примера такое обстоятельство: вместо неуклонного потепления, какое можно ожидать от парникового эффекта, быстрое повышение температуры, происходившее до конца второй мировой войны, сменилось небольшим похолоданием, продлившимся до середины 1970-х годов, за которым последовал второй период быстрого потепления, продолжающийся по сей день. Какой характер примет изменение температуры в ближайшее время? Чтобы дать такой прогноз, необходимо ответить на три вопроса. Какое количество диоксида углерода и других парниковых газов будет выброшено в атмосферу? Насколько при этом возрастет концентрация этих газов в атмосфере? Какой климатический эффект вызовет это повышение концентрации, если будут действовать естественные и антропогенные факторы, которые могут ослаблять или усиливать климатические изменения? Прогноз выбросов - нелегкая задача для исследователей, занимающихся анализом человеческой деятельности. Какое количество диоксида углерода попадет в атмосферу, зависит главным образом от того, сколько ископаемого топлива будет сожжено и сколько лесов вырублено (последний фактор ответствен за половину прироста парниковых газов с 1800 г. и за 20070прироста в наше время). И тот и другой фактор зависят в свою очередь от множества причин. Так, на потреблении ископаемого топлива сказываются рост населения, переход к альтернативным источникам энергии и меры по экономии энергии, а также состояние мировой экономики. Прогнозы в основном сводятся к тому, что потребление ископаемого топлива на земном шаре в целом будет увеличиваться примерно с той же скоростью, что и сегодня намного медленнее, чем до энергетического кризиса 1970-х годов. В результате эмиссия (поступление в атмосферу) диоксида углерода в ближайшие несколько десятилетий, будет увеличиваться на 0,5-2070 в год. Другие парниковые газы, такие как ХФУ, оксиды азота и тропосферный озон, могут вносить в потепление климата почти столь же большой вклад, что и диоксид углерода, хотя в атмосферу их попадает значительно меньше: объясняется это тем, что они более эффективно поглощают солнечную радиацию. Предсказать, какова будет эмиссия этих газов - задача еще более трудная. Так, например, не вполне ясно происхождение некоторых газов, в частности метана; величина выбросов других газов, таких как ХФУ или озон, будет зависеть от того, какие изменения в технологии и политике произойдут в ближайшем будущем.

Wymiana węgla pomiędzy atmosferą a różnymi „zbiornikami” na Ziemi (ryc. 9). Każda liczba wskazuje, w miliardach ton, dopływ lub odpływ węgla (w postaci dwutlenku) rocznie lub jego zasoby w zbiorniku. Te naturalne cykle, jeden na lądzie, a drugi na oceanie, usuwają z atmosfery tyle dwutlenku węgla, ile dodaje, ale działalność człowieka, taka jak wylesianie i spalanie paliw kopalnych, powoduje spadek poziomu węgla w atmosferze, corocznie wzrasta o 3 miliardy mnóstwo. Dane zaczerpnięte z pracy Berta Bohlina na Uniwersytecie w Sztokholmie

Ryc.9

Załóżmy, że mamy rozsądną prognozę dotyczącą zmian emisji dwutlenku węgla. Jakie zmiany w tym przypadku nastąpi wraz ze stężeniem tego gazu w atmosferze? Atmosferyczny dwutlenek węgla jest „zużywany” przez rośliny, a także przez ocean, gdzie jest zużywany w procesach chemicznych i biologicznych. Wraz ze zmianą stężenia atmosferycznego dwutlenku węgla prawdopodobnie zmieni się tempo „zużycia” tego gazu. Innymi słowy, procesy powodujące zmiany zawartości dwutlenku węgla w atmosferze muszą uwzględniać sprzężenie zwrotne. Dwutlenek węgla jest „surowcem” do fotosyntezy u roślin, więc jego zużycie przez rośliny prawdopodobnie wzrośnie w miarę gromadzenia się w atmosferze, co spowolni tę akumulację. Podobnie, ponieważ zawartość dwutlenku węgla w powierzchniowych wodach oceanu jest w przybliżeniu w równowadze z jego zawartością w atmosferze, zwiększenie absorpcji dwutlenku węgla przez wodę oceaniczną spowolni jego akumulację w atmosferze. Może się jednak zdarzyć, że nagromadzenie dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych w atmosferze uruchomi mechanizmy pozytywnego sprzężenia zwrotnego, które wzmocnią efekt klimatyczny. Tym samym gwałtowne zmiany klimatyczne mogą doprowadzić do zaniku części lasów i innych ekosystemów, co osłabi zdolność biosfery do absorpcji dwutlenku węgla. Co więcej, ocieplenie może prowadzić do szybkiego uwolnienia węgla zmagazynowanego w martwej materii organicznej w glebie. Węgiel ten, którego ilość jest dwukrotnie większa niż w atmosferze, jest stale przekształcany przez bakterie glebowe w dwutlenek węgla i metan. Ocieplenie może przyspieszyć ich działanie, powodując zwiększone uwalnianie dwutlenku węgla (z suchych gleb) i metanu (z pól ryżowych, składowisk śmieci i terenów podmokłych). Sporo metanu jest również magazynowane w osadach na szelfie kontynentalnym i pod warstwą wiecznej zmarzliny w Arktyce w postaci klatratów – sieci molekularnych składających się z cząsteczek metanu i wody. Do uwolnienia może doprowadzić ocieplenie wód szelfowych i rozmrożenie wiecznej zmarzliny Pomimo tych niepewności wielu badaczy uważa, że ​​absorpcja dwutlenku węgla przez rośliny i oceany spowolni akumulację tego gazu w atmosferze – przynajmniej w ciągu najbliższych 50–100 lat całkowitej ilości dwutlenku węgla wprowadzanego do atmosfery, około połowa tam pozostanie. Wynika z tego, że stężenie dwutlenku węgla podwoi się z poziomu 1900 (do 600 ppm) w latach około 2030–2080. Jednak inne gazy cieplarniane będą prawdopodobnie szybciej gromadzić się w atmosferze.

Gazy cieplarniane

Gazy cieplarniane to gazy, które, jak się uważa, powodują globalny efekt cieplarniany.

Głównymi gazami cieplarnianymi, według szacunkowego wpływu na bilans cieplny Ziemi, są para wodna, dwutlenek węgla, metan, ozon, halowęglowodory i podtlenek azotu.

para wodna

Para wodna jest głównym naturalnym gazem cieplarnianym, odpowiedzialnym za ponad 60% efektu. Bezpośrednie oddziaływanie antropogeniczne na to źródło jest nieznaczne. Jednocześnie wzrost temperatury Ziemi wywołany innymi czynnikami zwiększa parowanie i całkowite stężenie pary wodnej w atmosferze przy niemal stałej wilgotności względnej, co z kolei zwiększa efekt cieplarniany. W ten sposób pojawia się pozytywne sprzężenie zwrotne.

Metan

Gigantyczna erupcja metanu zgromadzonego pod dnem morskim 55 milionów lat temu ogrzała Ziemię o 7 stopni Celsjusza.

To samo może się zdarzyć teraz – to założenie potwierdzili badacze z NASA. Korzystając z symulacji komputerowych starożytnych klimatów, próbowali lepiej zrozumieć rolę metanu w zmianie klimatu. Obecnie większość badań nad efektem cieplarnianym koncentruje się na roli dwutlenku węgla w tym efekcie, chociaż potencjał metanu do zatrzymywania ciepła w atmosferze przewyższa 20-krotnie zdolność dwutlenku węgla.

Do wzrostu zawartości metanu w atmosferze przyczyniają się różnorodne urządzenia gospodarstwa domowego zasilane gazem.

W ciągu ostatnich 200 lat zawartość metanu w atmosferze wzrosła ponad dwukrotnie w wyniku rozkładu materii organicznej na bagnach i podmokłych nizinach, a także wycieków z obiektów stworzonych przez człowieka, takich jak gazociągi, kopalnie węgla, zwiększonego nawadniania i odgazowywania żywy inwentarz. Istnieje jednak inne źródło metanu – rozkładająca się materia organiczna w osadach oceanicznych, zachowana zamrożona pod dnem morskim.

Zwykle niskie temperatury i wysokie ciśnienie utrzymują metan pod oceanem w stabilnym stanie, ale nie zawsze tak było. W okresach globalnego ocieplenia, takich jak maksimum termiczne późnego paleocenu, które miało miejsce 55 milionów lat temu i trwało 100 tysięcy lat, ruch płyt litosferycznych, zwłaszcza na subkontynencie indyjskim, doprowadził do spadku ciśnienia na dnie morskim i mógł spowodować duże uwolnienie metanu. W miarę jak atmosfera i oceany zaczęły się ocieplać, emisja metanu może wzrosnąć. Niektórzy naukowcy uważają, że obecne globalne ocieplenie może doprowadzić do rozwoju wydarzeń według tego samego scenariusza – jeśli ocean znacznie się ociepli.

Kiedy metan przedostaje się do atmosfery, reaguje z cząsteczkami tlenu i wodoru, tworząc dwutlenek węgla i parę wodną, ​​z których każdy może powodować efekt cieplarniany. Według wcześniejszych prognoz cały wyemitowany metan za około 10 lat zamieni się w dwutlenek węgla i wodę. Jeśli to prawda, to rosnąca koncentracja dwutlenku węgla będzie główną przyczyną ocieplenia planety. Próby potwierdzenia tezy poprzez odniesienia do przeszłości nie powiodły się jednak – nie natrafiono na żadne ślady wzrostu stężenia dwutlenku węgla 55 milionów lat temu.

Modele wykorzystane w nowych badaniach wykazały, że gdy poziom metanu w atmosferze gwałtownie wzrasta, zawartość tlenu i wodoru reagujących w nim z metanem maleje (aż do ustania reakcji), a pozostały metan pozostaje w powietrzu przez setki lat, co samo w sobie staje się przyczyną globalnego ocieplenia. A te setki lat wystarczą, aby ogrzać atmosferę, stopić lody w oceanach i zmienić cały system klimatyczny.

Głównymi antropogenicznymi źródłami metanu są fermentacja trawienna u zwierząt gospodarskich, uprawa ryżu i spalanie biomasy (w tym wylesianie). Najnowsze badania wykazały, że w pierwszym tysiącleciu naszej ery nastąpił gwałtowny wzrost stężenia metanu w atmosferze (prawdopodobnie w wyniku rozwoju produkcji rolnej i zwierzęcej oraz wypalania lasów). W latach 1000-1700 stężenie metanu spadło o 40%, ale w ostatnich stuleciach zaczęło ponownie rosnąć (prawdopodobnie w wyniku powiększania się gruntów ornych i pastwisk oraz wypalania lasów, wykorzystania drewna do ogrzewania, zwiększonej pogłowia zwierząt gospodarskich) , ścieki i uprawa ryżu). Część dostaw metanu wynika z wycieków podczas zagospodarowania złóż węgla i gazu ziemnego, a także emisji metanu w ramach biogazu powstającego na składowiskach odpadów

Dwutlenek węgla

Źródłami dwutlenku węgla w atmosferze ziemskiej są emisje wulkanów, żywotna działalność organizmów i działalność człowieka. Źródła antropogeniczne obejmują spalanie paliw kopalnych, spalanie biomasy (w tym wylesianie) i niektóre procesy przemysłowe (na przykład produkcję cementu). Głównymi konsumentami dwutlenku węgla są rośliny. Zwykle biocenoza pochłania w przybliżeniu taką samą ilość dwutlenku węgla, jaką wytwarza (w tym poprzez rozkład biomasy).

Wpływ dwutlenku węgla na intensywność efektu cieplarnianego.

Wiele jeszcze pozostaje do nauczenia się na temat obiegu węgla i roli światowych oceanów jako ogromnego rezerwuaru dwutlenku węgla. Jak wspomniano powyżej, każdego roku ludzkość dodaje 7 miliardów ton węgla w postaci CO 2 do istniejących 750 miliardów ton. Ale tylko około połowa naszych emisji – 3 miliardy ton – pozostaje w powietrzu. Można to wytłumaczyć faktem, że większość CO 2 jest wykorzystywana przez rośliny lądowe i morskie, zakopywana w osadach morskich, absorbowana przez wodę morską lub absorbowana w inny sposób. Z tej dużej części CO 2 (około 4 miliardów ton) ocean pochłania co roku około dwóch miliardów ton atmosferycznego dwutlenku węgla.

Wszystko to zwiększa liczbę pytań bez odpowiedzi: Jak dokładnie woda morska oddziałuje z powietrzem atmosferycznym, pochłaniając CO 2? O ile więcej dwutlenku węgla mogą wchłonąć morza i jaki poziom globalnego ocieplenia może wpłynąć na ich pojemność? Jaka jest zdolność oceanów do pochłaniania i magazynowania ciepła uwięzionego w wyniku zmian klimatycznych?

Budując model klimatyczny, niełatwo jest uwzględnić rolę chmur i cząstek zawieszonych w prądach powietrza, zwanych aerozolami. Chmury zacieniają powierzchnię ziemi, powodując ochłodzenie, ale w zależności od ich wysokości, gęstości i innych warunków mogą również zatrzymywać ciepło odbite od powierzchni ziemi, zwiększając intensywność efektu cieplarnianego. Interesujące jest również działanie aerozoli. Niektóre z nich modyfikują parę wodną, ​​skraplając ją w małe kropelki, które tworzą chmury. Chmury te są bardzo gęste i zasłaniają powierzchnię Ziemi przez tygodnie. Oznacza to, że blokują światło słoneczne, dopóki nie opadną wraz z opadami atmosferycznymi.

Łączny efekt może być ogromny: erupcja góry Pinatuba na Filipinach w 1991 r. uwolniła do stratosfery kolosalną ilość siarczanów, powodując ogólnoświatowy spadek temperatury trwający dwa lata.

Zatem nasze własne zanieczyszczenia, spowodowane głównie spalaniem węgla i ropy zawierającej siarkę, mogą tymczasowo zrównoważyć skutki globalnego ocieplenia. Eksperci szacują, że w XX wieku aerozole zmniejszyły ocieplenie o 20%. Ogólnie rzecz biorąc, temperatury rosną od lat czterdziestych XX wieku, ale spadają od roku 1970. Efekt aerozolu może pomóc w wyjaśnieniu anomalnego ochłodzenia, które miało miejsce w połowie ubiegłego wieku.

W 2006 roku emisja dwutlenku węgla do atmosfery wyniosła 24 miliardy ton. Bardzo aktywna grupa badaczy sprzeciwia się poglądowi, że działalność człowieka jest jedną z przyczyn globalnego ocieplenia. Jej zdaniem najważniejsze są naturalne procesy zmian klimatycznych i zwiększona aktywność słoneczna. Jednak według Klausa Hasselmanna, kierownika Niemieckiego Centrum Klimatologicznego w Hamburgu, tylko 5% można wytłumaczyć przyczynami naturalnymi, a pozostałe 95% to czynnik spowodowany działalnością człowieka.

Niektórzy naukowcy nie łączą także wzrostu CO 2 ze wzrostem temperatury. Sceptycy twierdzą, że jeśli za rosnące temperatury winić rosnącą emisję CO 2, to temperatura musiała wzrosnąć podczas powojennego boomu gospodarczego, kiedy spalano ogromne ilości paliw kopalnych. Jednak Jerry Mallman, dyrektor Laboratorium Geofizycznej Dynamiki Płynów, obliczył, że zwiększone wykorzystanie węgla i olejów gwałtownie zwiększa zawartość siarki w atmosferze, powodując ochłodzenie. Po 1970 r. efekt termiczny długich cykli życia CO 2 i metanu zahamował szybko rozkładające się aerozole, powodując wzrost temperatur. Można zatem stwierdzić, że wpływ dwutlenku węgla na intensywność efektu cieplarnianego jest ogromny i niezaprzeczalny.

Narastający efekt cieplarniany może jednak nie być katastrofalny. Rzeczywiście, wysokie temperatury mogą być mile widziane tam, gdzie są dość rzadkie. Od 1900 roku największe ocieplenie obserwuje się na obszarach od 40 do 70° szerokości geograficznej północnej, w tym w Rosji, Europie i północnej części Stanów Zjednoczonych, gdzie najwcześniej rozpoczęła się przemysłowa emisja gazów cieplarnianych. Większa część ocieplenia zachodzi w nocy, głównie z powodu zwiększonego zachmurzenia, które zatrzymuje wychodzące ciepło. W rezultacie sezon siewny przedłużył się o tydzień.

Co więcej, dla części rolników efekt cieplarniany może być dobrą wiadomością. Wysokie stężenia CO 2 mogą mieć pozytywny wpływ na rośliny, ponieważ rośliny wykorzystują dwutlenek węgla podczas fotosyntezy, przekształcając go w żywą tkankę. Dlatego więcej roślin oznacza większą absorpcję CO 2 z atmosfery, spowalniając globalne ocieplenie.

Zjawisko to badali amerykańscy specjaliści. Postanowili stworzyć model świata z dwukrotnie większą ilością CO 2 w powietrzu. Wykorzystali do tego czternastoletni las sosnowy w Północnej Kalifornii. Gaz pompowano rurami zainstalowanymi pomiędzy drzewami. Fotosynteza wzrosła o 50-60%. Ale efekt wkrótce stał się odwrotny. Duszące drzewa nie były w stanie poradzić sobie z taką ilością dwutlenku węgla. Utracono przewagę w procesie fotosyntezy. To kolejny przykład tego, jak manipulacja człowieka prowadzi do nieoczekiwanych rezultatów.

Ale tych małych pozytywnych aspektów efektu cieplarnianego nie można porównywać z negatywnymi. Weźmy na przykład eksperyment z lasem sosnowym, w którym ilość CO 2 została podwojona i przewiduje się, że do końca tego stulecia stężenie CO 2 wzrośnie czterokrotnie. Można sobie wyobrazić, jak katastrofalne mogą być konsekwencje dla roślin. A to z kolei zwiększy objętość CO 2, ponieważ im mniej roślin, tym większe stężenie CO 2.

Konsekwencje efektu cieplarnianego

klimat gazów cieplarnianych

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta parowanie wody z oceanów, jezior, rzek itp. Ponieważ cieplejsze powietrze może pomieścić więcej pary wodnej, powstaje silny efekt sprzężenia zwrotnego: im jest cieplej, tym większa jest zawartość pary wodnej w powietrzu, co z kolei zwiększa efekt cieplarniany.

Działalność człowieka ma niewielki wpływ na ilość pary wodnej w atmosferze. Ale emitujemy inne gazy cieplarniane, co powoduje, że efekt cieplarniany staje się coraz bardziej intensywny. Naukowcy uważają, że rosnąca emisja CO 2, głównie ze spalania paliw kopalnych, wyjaśnia co najmniej około 60% ocieplenia Ziemi od 1850 roku. Stężenie dwutlenku węgla w atmosferze rośnie o około 0,3% rocznie i jest obecnie o około 30% wyższe niż przed rewolucją przemysłową. Jeśli wyrazimy to w wartościach bezwzględnych, to ludzkość co roku dodaje około 7 miliardów ton. Pomimo tego, że jest to niewielka część w stosunku do całkowitej ilości dwutlenku węgla w atmosferze – 750 miliardów ton, a nawet mniejsza w porównaniu z ilością CO 2 zawartego w Oceanie Światowym – około 35 bilionów ton, pozostaje ona bardzo istotne. Powód: naturalne procesy są w równowadze, taka ilość CO 2 dostaje się do atmosfery, która jest stamtąd usuwana. A działalność człowieka tylko dodaje CO2.

Atmosfera jest powłoką powietrzną Ziemi. Rozciąga się do 3000 km od powierzchni ziemi. Jego ślady można prześledzić na wysokościach do 10 000 km. A. ma nierównomierną gęstość 50 5, jego masy skupiają się do 5 km, 75% - do 10 km, 90% - do 16 km.

Atmosfera składa się z powietrza - mechanicznej mieszaniny kilku gazów.

Azot(78%) w atmosferze pełni rolę rozcieńczalnika tlenu, regulując szybkość utleniania, a co za tym idzie szybkość i intensywność procesów biologicznych. Azot jest głównym pierwiastkiem atmosfery ziemskiej, który w sposób ciągły wymienia się z żywą materią biosfery, a jej składnikami są związki azotu (aminokwasy, puryny itp.). Azot jest wydobywany z atmosfery drogami nieorganicznymi i biochemicznymi, chociaż są one ze sobą ściśle powiązane. Ekstrakcja nieorganiczna wiąże się z tworzeniem jej związków N 2 O, N 2 O 5, NO 2, NH 3. Występują w opadach atmosferycznych i powstają w atmosferze pod wpływem wyładowań elektrycznych podczas burz lub reakcji fotochemicznych pod wpływem promieniowania słonecznego.

Biologiczne wiązanie azotu odbywa się w glebie przez niektóre bakterie w symbiozie z roślinami wyższymi. Azot jest także wiążący w środowisku morskim przez niektóre mikroorganizmy planktonowe i glony. Ilościowo biologiczne wiązanie azotu przewyższa jego wiązanie nieorganiczne. Wymiana całego azotu w atmosferze następuje w ciągu około 10 milionów lat. Azot występuje w gazach pochodzenia wulkanicznego i skałach magmowych. Podczas podgrzewania różnych próbek skał krystalicznych i meteorytów uwalnia się azot w postaci cząsteczek N 2 i NH 3. Jednak główna forma obecności azotu, zarówno na Ziemi, jak i na planetach ziemskich, ma charakter molekularny. Amoniak przedostający się do górnych warstw atmosfery szybko się utlenia, uwalniając azot. W skałach osadowych jest zakopywany razem z materią organiczną, a w większych ilościach występuje w osadach bitumicznych. Podczas regionalnego metamorfizmu tych skał azot jest uwalniany do atmosfery ziemskiej w różnych postaciach.

Geochemiczny cykl azotu (

Tlen(21%) jest wykorzystywany przez organizmy żywe do oddychania i wchodzi w skład materii organicznej (białka, tłuszcze, węglowodany). Ozon O3. opóźnia niszczące życie promieniowanie ultrafioletowe ze Słońca.

Tlen jest drugim pod względem rozpowszechnienia gazem w atmosferze, odgrywającym niezwykle ważną rolę w wielu procesach zachodzących w biosferze. Dominującą formą jego istnienia jest O 2. W górnych warstwach atmosfery pod wpływem promieniowania ultrafioletowego następuje dysocjacja cząsteczek tlenu, a na wysokości około 200 km stosunek tlenu atomowego do cząsteczkowego (O:O2) staje się równy 10. Kiedy te formy tlenu oddziałują w atmosferze (na wysokości 20-30 km), pas ozonowy (ekran ozonowy). Ozon (O 3) jest niezbędny organizmom żywym, blokując większość szkodliwego dla nich promieniowania ultrafioletowego Słońca.

We wczesnych stadiach rozwoju Ziemi wolny tlen pojawiał się w bardzo małych ilościach w wyniku fotodysocjacji cząsteczek dwutlenku węgla i wody w górnych warstwach atmosfery. Jednak te niewielkie ilości zostały szybko zużyte przez utlenianie innych gazów. Wraz z pojawieniem się w oceanie autotroficznych organizmów fotosyntetycznych sytuacja uległa znacznej zmianie. Ilość wolnego tlenu w atmosferze zaczęła stopniowo wzrastać, aktywnie utleniając wiele składników biosfery. Zatem pierwsze porcje wolnego tlenu przyczyniły się przede wszystkim do przejścia żelaznych form żelaza w formy tlenkowe, a siarczków w siarczany.

Ostatecznie ilość wolnego tlenu w atmosferze ziemskiej osiągnęła określoną masę i została zbilansowana w taki sposób, że ilość wytworzona zrównała się z ilością pochłoniętą. Ustalono względną stałą zawartość wolnego tlenu w atmosferze.

Geochemiczny cykl tlenowy (VA Wroński, G.V. Wojtkiewicz)

Dwutlenek węgla, wchodzi w skład żywej materii i wraz z parą wodną tworzy tzw. „efekt cieplarniany (szklarniowy)”.

Węgiel (dwutlenek węgla) – większość w atmosferze występuje w postaci CO 2 i znacznie mniej w postaci CH 4. Znaczenie historii geochemicznej węgla w biosferze jest niezwykle duże, ponieważ jest on częścią wszystkich żywych organizmów. W organizmach żywych dominują formy zredukowane węgla, natomiast w środowisku biosfery dominują formy utlenione. W ten sposób ustala się wymianę chemiczną cyklu życiowego: CO 2 ↔ materia żywa.

Źródłem pierwotnego dwutlenku węgla w biosferze jest aktywność wulkaniczna związana z okresowym odgazowaniem płaszcza i dolnych poziomów skorupy ziemskiej. Część tego dwutlenku węgla powstaje podczas rozkładu termicznego starożytnych wapieni w różnych strefach metamorficznych. Migracja CO 2 do biosfery zachodzi na dwa sposoby.

Pierwsza metoda wyraża się w absorpcji CO 2 podczas fotosyntezy z utworzeniem substancji organicznych, a następnie zakopaniem w sprzyjających warunkach redukujących w litosferze w postaci torfu, węgla, ropy i łupków bitumicznych. Według drugiej metody migracja węgla prowadzi do powstania układu węglanowego w hydrosferze, w którym CO 2 zamienia się w H 2 CO 3, HCO 3 -1, CO 3 -2. Następnie przy udziale wapnia (rzadziej magnezu i żelaza) węglany odkładają się drogami biogennymi i abiogennymi. Pojawiają się grube warstwy wapienia i dolomitu. Według A.B. Ronova stosunek węgla organicznego (Corg) do węgla węglanowego (Ccarb) w historii biosfery wynosił 1:4.

Oprócz globalnego cyklu węglowego istnieje również szereg małych cykli węglowych. Tak więc na lądzie rośliny zielone w ciągu dnia absorbują CO 2 w procesie fotosyntezy, a nocą uwalniają go do atmosfery. Wraz ze śmiercią organizmów żywych na powierzchni ziemi następuje utlenianie substancji organicznych (przy udziale mikroorganizmów) wraz z uwolnieniem CO 2 do atmosfery. W ostatnich dziesięcioleciach szczególne miejsce w obiegu węgla zajęło masowe spalanie paliw kopalnych i wzrost ich zawartości we współczesnej atmosferze.

Obieg węgla w otoczce geograficznej (wg F. Ramad, 1981)

Argon- trzeci najbardziej rozpowszechniony gaz atmosferyczny, co ostro odróżnia go od niezwykle rzadko rozmieszczonych innych gazów obojętnych. Jednak argon w swojej historii geologicznej dzieli los tych gazów, które charakteryzują się dwiema cechami:

1. nieodwracalność ich akumulacji w atmosferze;
2. ścisły związek z rozpadem radioaktywnym niektórych niestabilnych izotopów.

Gazy obojętne znajdują się poza cyklem większości pierwiastków cyklicznych w biosferze Ziemi.

Wszystkie gazy obojętne można podzielić na pierwotne i radiogenne. Do podstawowych zaliczają się te, które zostały przechwycone przez Ziemię w okresie jej powstawania. Są niezwykle rzadkie. Podstawową część argonu reprezentują głównie izotopy 36 Ar i 38 Ar, natomiast argon atmosferyczny składa się wyłącznie z izotopu 40 Ar (99,6%), który niewątpliwie jest radiogenny. W skałach zawierających potas nastąpiło i nadal występuje nagromadzenie radiogennego argonu w wyniku rozpadu potasu-40 poprzez wychwyt elektronów: 40 K + e → 40 Ar.

Dlatego o zawartości argonu w skałach decyduje ich wiek i zawartość potasu. W tym zakresie stężenie helu w skałach jest funkcją ich wieku oraz zawartości toru i uranu. Argon i hel przedostają się do atmosfery z wnętrzności ziemi podczas erupcji wulkanów, przez pęknięcia w skorupie ziemskiej w postaci strumieni gazu, a także podczas wietrzenia skał. Według obliczeń P. Dimona i J. Culpa hel i argon w czasach nowożytnych gromadzą się w skorupie ziemskiej i w stosunkowo małych ilościach przedostają się do atmosfery. Szybkość przedostawania się tych radiogennych gazów jest tak mała, że ​​w historii geologicznej Ziemi nie była w stanie zapewnić ich obserwowanej zawartości we współczesnej atmosferze. Dlatego należy założyć, że większość argonu w atmosferze pochodziła z wnętrzności Ziemi na najwcześniejszych etapach jej rozwoju, a znacznie mniej została dodana później w procesie wulkanizmu i podczas wietrzenia skał zawierających potas.

Zatem na przestrzeni czasu geologicznego hel i argon podlegały różnym procesom migracji. W atmosferze jest bardzo mało helu (około 5 * 10 -4%), a „oddychanie helem” Ziemi było lżejsze, ponieważ jako najlżejszy gaz odparował w przestrzeń kosmiczną. A „oddychanie argonem” było ciężkie i argon pozostawał w granicach naszej planety. Większość pierwotnych gazów szlachetnych, takich jak neon i ksenon, kojarzono z pierwotnym neonem wychwyconym przez Ziemię podczas jej powstawania, a także z uwolnieniem podczas odgazowania płaszcza do atmosfery. Całość danych dotyczących geochemii gazów szlachetnych wskazuje, że pierwotna atmosfera ziemska powstała na najwcześniejszych etapach jej rozwoju.

Atmosfera zawiera para wodna I woda w stanie ciekłym i stałym. Woda w atmosferze jest ważnym akumulatorem ciepła.

Dolne warstwy atmosfery zawierają dużą ilość pyłów i aerozoli mineralnych i technogennych, produktów spalania, soli, zarodników i pyłków itp.

Do wysokości 100-120 km, w wyniku całkowitego wymieszania powietrza, skład atmosfery jest jednorodny. Stosunek azotu do tlenu jest stały. Powyżej dominują gazy obojętne, wodór itp. W dolnych warstwach atmosfery występuje para wodna. Wraz z odległością od ziemi jego zawartość maleje. Im wyższy stosunek gazów zmienia się, na przykład na wysokości 200–800 km, tlen przeważa nad azotem 10–100 razy.