Похоже, Земля переступила знаковый порог на фоне глобального потепления.

Обычно в сентябре показатели содержания углекислого газа (СО2) в атмосфере бывают минимальные. Эта концентрация является эталонной планкой, по которой измеряют колебания уровня парниковых газов весь следующий год. Но в сентябре текущего год уровень СО2 остается высоким, составляя примерно 400 миллионных долей, и многие ученые считают, что при нашей жизни концентрация парниковых газов не опустится ниже этого порогового значения.

Земля стабильно накапливает СО2 в атмосфере со времен промышленной революции, однако уровень в 400 миллионных долей создает новую норму, какой на нашей планете не было миллионы лет.

«Последний раз содержание СО2 в атмосфере нашей планеты составляло 400 миллионных долей около трех с половиной миллионов лет назад, и климат в то время очень сильно отличался от сегодняшнего», — сообщил по электронной почте Christian Science Monitor адъюнкт-профессор Школы по изучению моря и атмосферных явлений при Университете штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук Дэвид Блэк (David Black).

«В частности, в Арктике (севернее 60-й широты) было значительно теплее, чем сегодня, а уровень моря на планете был на 5-27 метров выше нынешнего», — отметил Блэк.

«Тогда атмосфере понадобились миллионы лет, чтобы уровень СО2 в ней достиг 400 миллионных долей. А чтобы он упал до 280 миллионных долей (такой показатель был накануне промышленной революции), понадобились еще миллионы лет. Климатологов очень тревожит, что люди всего за несколько столетий сделали то, что природа сделала за миллионы лет, причем большая часть этих изменений приходится на последние 50-60 лет».

Глобальная концентрация СО2 уже несколько лет периодически поднимается выше 400 миллионных долей; но в летний сезон вегетации значительная часть углекислого газа в атмосфере поглощается в процессе фотосинтеза, и поэтому большую часть года уровень СО2 ниже этой отметки.

Контекст

Безумие парникового эффекта

Wprost 15.12.2015

Мир плохо подготовлен к глобальному потеплению

The Globe And Mail 09.05.2016

Климатическая катастрофа в Европе

Dagbladet 02.05.2016

Пора заняться климатом

Project Syndicate 26.04.2016

Ядовитый климат

Die Welt 18.01.2016
Но из-за деятельности человека (прежде всего, из-за сжигания органического топлива) в атмосферу выбрасывается больше СО2, и годовой минимум все ближе и ближе подходил к отметке 400 миллионных долей. Ученые опасаются, что в этом году планета достигла точки невозврата.

«Возможно ли, чтобы в октябре 2016 года месячный показатель был ниже сентябрьского, опустившись ниже 400 миллионных долей? Практически нет», — написал на прошлой неделе в своей статье директор программы из Института океанографии им. Скрипс Ральф Килинг (Ralph Keeling).

В прошлом бывали случаи, когда уровень СО2 падал ниже прежних сентябрьских значений, но они крайне редки. По словам ученых, даже если мир прямо с завтрашнего дня полностью прекратит выбрасывать углекислый газ в атмосферу, его концентрация еще несколько лет будет оставаться выше 400 миллионных долей.

«В лучшем случае (при таком сценарии) можно ждать стабилизации в ближайшей перспективе, а поэтому уровень СО2 вряд ли сильно изменится. Но лет через 10 или около того он начнет снижаться, — сказал изданию Climate Central главный климатолог НАСА Гэвин Шмидт (Gavin Schmidt). — На мой взгляд, мы больше не увидим месячный показатель ниже 400 миллионных долей».

Хотя рост концентрации СО2 в атмосфере дает повод для озабоченности, следует отметить, что сама по себе отметка в 400 миллионных долей это в большей степени маршрутный ориентир, чем жесткий показатель, предвещающий миру климатический апокалипсис.

«Людям нравятся округленные числа, — говорит профессор экологии из Университета Конкордия в Монреале Дэймон Мэтьюз (Damon Matthews). — Также весьма символично и то, что параллельно с увеличением СО2 мировая температура на один градус превысила доиндустриальный уровень».

Конечно, эти показатели в основном символические, но они являются реальной иллюстрацией той траектории, которой следует земной климат.

«Концентрация СО2 это в некоторой степени обратимый показатель, потому что растения поглощают углекислый газ, — отмечает доктор Мэтьюз. — А вот температура, возникающая на основе таких изменений, в отсутствие человеческих усилий необратима».

Двуокись углерода в виде парникового газа не только способствует глобальному потеплению, но и негативно влияет на состояние мирового океана из-за его подкисления. Когда углекислый газ в больших объемах растворяется в воде, часть его превращается в углекислоту, которая вступает в реакцию с молекулами воды, производя ионы водорода, что повышает кислотность среды океана. Это в свою очередь ведет к обесцвечиванию кораллов и создает помехи жизненному циклу мелких организмов, что также негативно отражается на организмах покрупнее, расположенных далее в пищевой цепочке.

Новость о пороге в 400 миллионных долей появилась в момент, когда мировые лидеры сделали ряд шагов к ратификации Парижского соглашения по климатическим изменениям, которое направлено на систематическое уменьшение углеродных выбросов во всем мире, начиная с 2020 года.

Ратифицирующим соглашение странам предстоит большая работа.

«Чтобы снизить уровень СО2 в атмосфере во временном масштабе нескольких столетий, нам надо не только использовать и разрабатывать источники энергии не на основе углерода; нам нужно также физическими, химическими и биологическими методами удалять СО2 из атмосферы, — говорит Блэк. — Технология удаления атмосферного СО2 есть, но в масштабах существующей проблемы она пока неприменима».

Подавляющее большинство специалистов в области вентиляции сходятся во мнении: углекислый газ является индикатором состояния воздуха (авторитетный пруф из АВОК). Много СО2 - значит, много и более вредных веществ (формальдегиды и прочая ядовитая органика, PM2.5 и т.д.). Это логично: ведь если вентиляция не справляется с воздухообменом, то в помещении накапливается и выдыхаемый нами СО2, и весь остальной «воздушный коктейль». Так что вполне резонно измерять концентрацию СО2 в воздухе, чтобы оценить качество этого самого воздуха.

Является ли углекислый газ таким же загрязнителем воздуха, как автомобильные выхлопы или промышленные выбросы? Исследования на эту тему противоречивы. Есть много статей про вред СО2 (пример раз , пример два). Меньше исследований, согласно которым углекислый газ практически безвреден, но и такие есть (пример). Если вам интересна эта тема, пишите в комментариях. В будущем мы можем сделать подробный литобзор о влиянии СО2 на здоровье человека.

Наше мнение - углекислый газ однозначно влияет на самочувствие человека (вялость, утомляемость, сонливость). Вспомните, как вы чувствуете себя в душном офисе или квартире с закрытыми окнами. Усредненное влияние СО2 на человека выглядит примерно так:

Как измерить количество СО2 в воздухе?

Уровень углекислого газа в воздухе измеряется в ppm: 1 ppm = 0.0001%, то есть одна миллионная доля. Для России 1400 ppm углекислого газа в воздухе - это уже недопустимое количество (согласно ГОСТу 30494-2011). В Америке общие стандарты ASHRAE (американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха) гласят: жалобы на головную боль начинаются с 2000 ppm.

В среднем по больнице получается такая картина:

• 300 ppm – норма на улице на природе
• 500 ppm – норма на улице в современном городе
• 700-1500 ppm – норма в помещении, причем ближе к 1500 ppm уже начинаются жалобы на духоту, головную боль, вялость и т.д.

Последнее из вступительной части - название использованного датчика СО2. Это был Testo 480 .

Все, заканчиваем с введением. Приступаем непосредственно к измерением. Слово Михаилу Амелькину.

Транспорт

Трип начался с самолёта. Перелет Новосибирск-Москва, около 4 часов. Самолёт полный, аэробус А316. Весь полёт концентрация СО2 около 2000 ppm! Добавьте сюда слишком высокую температуру на борту (около 28°С) и пониженное давление (786 гПа против 1007 гПа на земле), и поймете, почему нас так «колбасит» после перелетов. Для сравнения, в аэропорту прилета около 700 ppm, то есть норма. На обратном пути летел в полупустом самолёте и ситуация была гораздо лучше – весь полёт до 1000 ppm, что приемлемо.

В метро все гораздо лучше. На самой станции под землёй 600 ppm. В старых, «дырявых» вагонах около 700 ppm. Вот в новых вагонах метро, где кондиционеры гоняют воздух по кругу, уже хуже – при неполной загрузке 1200 ppm. В набитом вагоне следует ожидать больше 2000 ppm. Но здесь стоит иметь в виду, что обычно в таких вагонах мы проводим мало времени, 10-20 минут, так что это не очень критично.

Улица

Сделал замер прямо на Красной Площади. Уровень около 450 ppm. Это выше, чем за городом, что, скорее всего, объясняется обилием транспорта, котельных и промышленности, которые активно выделяют в воздух СО2, создавая над городом «пузырь» углекислого газа. Но это не страшно. Пока.

Дом и отель

Мне повезло, и в моём номере всю ночь концентрация СО2 была меньше 600 ppm. Отлично! Я спал не в духоте. Это потому, что попросил номер с окном во двор и смог держать окно на микропроветривании, не просыпаясь от шума машин. Но вентиляции в номере нет, поэтому плата за свежий воздух тоже не малая - московский смог. Была бы вентиляшка с профессиональными фильтрами - было бы на пятерочку!

Надо сказать, что замеры в квартирах с закрытыми окнами часто показывают очень плохие результаты, пара человек в комнате запросто могут «надышать» 2000 ppm минут за 40-60. А окна обычно закрыты, чтобы не было сквозняков и шума с улицы. Вывод тот же, что и в случае с отелем – дома вентиляция must have. При этом проще и дешевле поставить компактные , чем заморачиваться с полноценной вентиляцией.

Рестораны и кинотеатры

Тут картина сильно разная, но одно очевидно (кто-то скажет, что это ясно и без приборов) – любят наши рестораторы экономить на вентиляшке! Например, у меня была деловая встреча в кофейне «Хлеб насущный» на Никольской. Место хорошее, но вот с воздухом беда – 2000 ppm! В такой атмосфере очень сложно думать и решать деловые вопросы. В «Чайхоне №1» на Пушкинской было чуть лучше, до 1500 ppm.

Но есть и хорошие места: в «Старбакс» на Площади революции и в «Пять звёзд» на Павелецкой 700 ppm и 800 ppm соответственно. А вот в самом кинозале этого замечательного кинотеатра было «не айс» - до 1500 ppm весь сеанс. При этом администрация не поскупилась на кондиционеры – в залах было прохладно и это «скрашивало» ситуацию. Но кондеи не заменяют вентиляцию! Температура – температурой, а кислород – кислородом, должно быть и то, и другое.

Пока это вся информация по Москве. Обязуюсь сделать обзорный трип в Новосибирске. Что можно сказать по итогу?

Выводы

По полученным данным однозначно можно констатировать низкое качество воздуха в транспорте, особенно когда в нем много пассажиров. Пара советов, что делать в душном самолёте.

• Используйте обдув, он есть в каждом самолёте на потолке или «в спинке впереди стоящего кресла». Оттуда воздух идет тоже с превышением по СО2 (проверено), но он хотя бы раздувает тот «пузырь» углекислого газа, который вы вокруг себя «надышали».
• Если в салоне жарко, раздевайтесь. Пусть будет чуть прохладно. Чем ниже температура тела, тем лучше кровь насыщается кислородом и выводится углекислота.
• Сведите активность к минимуму. Лучше спать или «медитировать». Постарайтесь не нервничать, не брать в уме тройные интегралы. Помните, мозг потребляет около 20% всего кислорода в крови!
• Если курите, лучше не курить за несколько часов до полёта. Это позволит очистить кровь от угарного газа и улучшит снабжение мозга кислородом. Лучше используйте никотиновые жвачки/таблетки/пластыри.
• После прилета проведите часок на улице, продышитесь, сделайте дыхательную гимнастику, нормализуйте биохимию в крови. Дайте мозгу прийти в себя!

Что касается мест отдыха, то там самое коварство - в кондиционерах. Опыт показывает, что в прохладном воздухе создается ощущение комфорта, в то время как уровень СО2 достигает критических значений. Интерьер, комфорт, «атмосфера» есть, а настоящей здоровой атмосферы может не быть. Далеко не во всех заведениях состояние воздуха бывает удовлетворительным. Воздух не видно – значит, на нём можно сэкономить. Если бы все посетители имели портативные датчики и регулярно жаловались на превышение уровня СО2, возможно, тогда владельцы заведений внимательнее относились бы к вопросам вентиляции.

В этот раз не получилось «поохотиться» на СО2 в школах, детсадах и офисах, но есть основания считать, что и там регулярно наблюдаются превышенные концентрации углекислого газа. Немного заспойлерю: уже сделали замеры СО2 в классе одной из новосибирских школ – больше 2000 ppm! А дети же там должны учиться и работать головой. А как требовать от ребенка концентрации и успеваемости, когда голова не варит просто физиологически?

Примечание Tion: скоро будет материал про наше мини-исследование в школе.

Короче, я хочу выбирать места работы и отдыха еще и по качеству воздуха. Верю, что это существенно улучшит «среднюю температуру по палате» - самочувствие моё и моей семьи.

Роль в парниковом эффекте

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар . При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной , равной 1368 Вт ⁄ м 2 , средняя температура на поверхности должна составлять -19,5 °C. В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +14 °C, то есть, парниковый эффект приводит к её увеличению на 34 °C . При относительно небольшой концентрации 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 - за счёт асимметричного растяжения молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания молекулы). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту .

Кроме инфракрасных свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха . 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 . Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO 2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере . Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности - в силу малой молярной массы воды (18 г/моль ) - снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты . Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота , сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго .

Роль в похолодании

Теория глобального потепления не может объяснить тот факт, что содержание углекислого газа было когда то многократно выше (особенно до появления кислорода) но жизнь возникла и процветала, венерианский сценарий не реализовался. Это предполагает наличие отрицательной обратной связи. Таким "охлаждающим" эффектом могут служит облака, отражающие солнечную радиацию и возникающие при ещё большем содержании углекислого газа, чем есть сейчас. Оба явления, - потепления и похолодания, таким образом являются стабилизирующими механизмами для условий жизни на Земле.

Источники углекислого газа

К естественным источникам диоксида 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 гниения органических остатков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO 2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии , транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO 2 приводят некоторые виды промышленной деятельности, такие, например, как производство цемента и утилизация попутных нефтяных газов путём их сжигания в факелах .

Естественные источники

Большинство источников эмиссии по данным 98−го года РФ CO 2 являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют 330 млрд . Пожары , возникающие в том числе по естественным причинам, из-за самого процесса горения в атмосфере и - в случае выгорания лесных массивов - за счет обезлесения приводят к эмиссии, которая сравнима с антропогенной. Например, в ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года (англ.) русск. было выделено 13-40 % от среднегодовой эмиссии CO 2 , получаемой в результате сжигания ископаемых топлив . Вулканическая активность была главным источником углекислого газа во времена молодой Земли, в современный геологический период вулканическая эмиссия составляет около 130–230 млн тонн в год или менее 1 % от антропогенной .

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы - часть CO 2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5⋅10 11 т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ⋅10 12 т, то в среднем весь атмосферный CO 2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет . Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO 2 биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации .

Антропогенная эмиссия

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 атмосферного диоксида углерода, эквивалентное 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, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на 39 % превысила 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.

Изменение температуры и углеродный цикл

К другим факторам, увеличивающим содержание CO 2 в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке , что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона , 1859 г.) .

Влияние вулканизма

Современная концентрация углекислого газа в атмосфере

В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO 2 в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm , в сентябре 2016 года превысила 400 ppm .

Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm , в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3-9 ppm , которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии . Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO 2 . Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы , осуществляющей фотосинтез , является наибольшим .

Весной 2016 года австралийские ученые установили, что концентрация диоксида углерода в атмосфере в районе острова Тасмания достигла 400 ppm .

11 мая 2019 года, зафиксирован новый рекорд концентрации CO 2 в атмосфере: 415,28 ppm (или 0,041528 % углекислого газа в воздухе) .

Изменение концентрации в прошлом

Наиболее достоверным способом измерения концентраций атмосферного диоксида углерода в период времени до начала прямых измерений является определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии . Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO 2 оставался в пределах 260-284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени . Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы , указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO 2 в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике . Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция . В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO 2 в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO 2 на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180-210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280-300 ppm в более теплые периоды .

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO 2 определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO 2 . Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии диоксида углерода с последующим изменением его уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.) русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO 2 в прошлом, которые 150-200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400-600 млн лет назад - 6 000 ppm (0,6 %) .

Снижение уровня атмосферного CO 2 прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная примерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад - начало формирования современного ледяного щита Антарктиды) количество CO 2 составляло 760 ppm . По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

Взаимосвязь с концентрацией в океане

CaCO 3 + CO 2 + H 2 O ⟷ Ca 2 + + 2 HCO 3 − {\displaystyle {\ce {CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca^{2+}\ +\ 2HCO3-}}} .

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO 2 . Так как правая часть реакции содержит кислоту , добавление CO 2 в левой части уменьшает , то есть приводит к закислению океана . Другие реакции между диоксидом углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и его ионов .

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO 2 . В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO 2 , полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой .

Влияние концентрации CO 2 в атмосфере на продуктивность растений (фотосинтеза)

По способу фиксации CO 2 подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4 . К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около 95% растительной биомассы Земли это С3-растения). К группе С4 принадлежат некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, просо.

С4-механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций CO 2 в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO 2 в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO 2 более 1000 ppm .

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO 2 в 400 ppm . Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент более 400 молекул на миллион (ppm), уже достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё еще очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO 2 приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на 41 % , а у С4 - на 22 %.

Добавление в окружающий воздух 300 ppm CO 2 приведет к росту продуктивности у С3-растений на 49 % и у С4 - на 20 %, у фруктовых деревьев и бахчевых культур - на 24 %, бобовых - на 44 %, корнеплодных - на 48 %, овощных - на 37 %.

С 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации CO 2 на

См. также

Примечания

1. Mauna Loa CO2 monthly mean data (англ.) . Earth System Research Laboratory. Дата обращения 16 мая 2018.
2. (англ.) Petty, G. W.: A First Course in Atmospheric Radiation , pages 229-251, Sundog Publishing, 2004
3. http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.1.2 (p. 514-515)
4. www.un.org: Изменение климата.
5. (англ.) Deep ice tells long climate story , BBC News (4 сентября 2006). Дата обращения 28 апреля 2010.
6. (англ.) Climate Change 2001: The Scientific Basis Архивная копия от 27 апреля 2007 на Wayback Machine
7. Подрезов А. О., Аламанов С. К.; Лелевкин В. М., Подрезов О. А., Балбакова Ф. Изменение климата и водные проблемы в Центральной Азии. Учебный курс для студентов естественных и гуманитарных специальностей. Москва – Бишкек, 2006 (неопр.) (недоступная ссылка) 18. Дата обращения 16 июня 2012. Архивировано 12 июля 2012 года.
8. Calculating Planetary Energy Balance & Temperature | UCAR Center for Science Education (неопр.) . scied.ucar.edu. Дата обращения 29 июня 2019.
9. ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА Архивная копия от 1 мая 2009 на Wayback Machine , Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики
10. (англ.) An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations , 1998 - 2012 Richard Shelquist
11. Абсолютная и относительная влажность
12. (англ.) Humidity 101 Архивировано 16 апреля 2013 года. , World Water Rescue Foundation
13. Изменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие , World Bank Group: Хабиба Гитай
14. (англ.) Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions - PNAS
15. (англ.) WMO statement on the globa climate in 2010 Архивная копия от 11 мая 2011 на Wayback Machine
16. (англ.) Bundle Up, It’s Global Warming , JUDAH COHEN, 25.12.2010
17. (англ.) Impact of decadal cloud variations on the Earth’s energy budget
18. (англ.) Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming
19. (англ.) Massive peat burn is speeding climate change - 06 November 2004 - New Scientist
20. (англ.) Gerlach, T. M. , 1992, Present-day CO 2 emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254–255
21. (англ.) U.S. Geological Survey, "Volcanic Gases and Their Effects ", volcanoes.usgs.gov
22. Keeling et al., 1995
23. (англ.) Abstract , Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks .
24. (англ.)

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.

Правообладатель иллюстрации AFP

Средний уровень содержания углекислого газа в атмосфере нашей планеты в 2015 году впервые за время наблюдений достиг критической отметки в 400 долей на миллион, сообщила Всемирная метеорологическая организация.

Критический уровень содержания диоксида углерода зафиксировала станция мониторинга воздуха, расположенная на Гавайях.

Как предполагают эксперты, содержание углекислого газа в атмосфере не опустится ниже 400 долей на миллион в течение всего 2016 года, а возможно, что и в ближайшие десятилетия.

Что это означает для нас с вами?

Ведущий программы "Пятый этаж" Александр Баранов обсуждает тему с директором программы "Климат и энергетика" Всемирного фонда дикой природы Алексе ем Кокорин ым и старшим научным сотрудником Института экологии растений и животных уральского отделения Российской академии наук Евгени ем Зиновьев ым .

А лександр Б аранов: 400 частей на миллион для простого человека, который не разбирается в климатических вопросах, но зато учил арифметику в школе, это очень мало. Так же мало, как 200, 100 или 500. Особенно, когда речь идет о газе без цвета и запаха. Почему вдруг так переполошились ученые?

А лексей Кокорин: CO2 - это один из газов, создающих парниковый эффект, второй после водяного пара, и главный газ, на концентрацию которого в атмосфере оказывает влияние человек.

И то, что человек не оказывает влияние на содержание водяного пара, не сильно облегчает дело, потому что влияние на содержание CO2 велико, и изотопным анализом доказано, что этот CO2 именно от сжигания топлива. Это много.

Число очень маленькое, но это на 30% больше, чем 50-60 лет назад. А до этого уровень был постоянен в течение долгого времени, имеются данные прямых измерений.

А.Б. : Ученые сейчас согласны с тем, что CO2 влияет на изменение климата, а не наоборот? Какое-то время назад некоторые ученые говорили, что на рост выброса углекислого газа влияет нагревание океана. А человек, по сравнению с океаном, выбрасывает намного меньше CO2 в атмосферу. Каков сейчас консенсус по этому поводу?

А.К. : Консенсус практически полный. Я упомянул изотопный анализ, потому что в прошлом, и это тоже доказано, сначала менялась температура, а потом концентрация CO2.

Это было в переходный период между ледниковыми периодами и в других случаях. Корреляция шла в такой последовательности. Здесь корреляция идет в другой последовательности. Но главное, есть доказательства изотопного анализа. Тут консенсус есть.

Е вгений З иновьев: Я не климатолог, я палеонтолог. У нас в институте мы наблюдаем на севере, в Арктике, повышение как содержания CO2, и это показано нашими коллегами дендрохронологами, так и сопутствующие изменения - это наступление границы леса. У нас проводится мониторинг ландшафтов северной части Западно-Сибирской равнины и Полярного и приполярного Урала, и на протяжении последних сорока лет северная граница леса смещается к северу.

Это еще не достигает границ, которые были в климатический оптимум голоцена, когда древесная растительность достигала среднего Ямала, но процесс идет в том направлении и опосредованно связан с потеплением климата. Древесные растения занимают постепенно территории, от которых они когда-то отступили.

То потепление, которое мы сейчас наблюдаем - не самое значительное, сейчас не самый теплый климат. Я могу сравнивать с недавним геологическим прошлым - последние 130-140 тысяч лет. Этот период называется Микулинское межледниковье, и тогда растения и теплолюбивые животные продвигались к северу гораздо дальше, чем сейчас.

В наше время, по объективным данным, пока еще такие уровни не достигнуты. Но то потепление было очень кратковременным, всего около 5 тысяч лет. Потом оно сменилось похолоданием, потом опять потеплением, и потом наступил длительный холодный период, зырянское оледенение, которое тоже делилось на более теплые и более холодные эпохи. Тогда начал формироваться скандинавский ледниковый щит.

А.Б. : То есть в ы говорите о похолодании в Средневековый период?

Е.З. : Это вы говорите про исторические времена, а я имею в виду более ранние границы. Это поздний плейстоцен.

А.Б. : А какие выводы из этого делать нам, неспециалистам? Противники теории глобального потепления, вызванного человеческой деятельностью, говорят, что мы просто находимся в периоде определенного цикла и с этим связаны различные колебания концентрации CO2.

Углекислый газ - пища для растений. В процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ, выделяют в атмосферу кислород, и чем выше содержание углекислого газа, тем активнее растения начинают его потреблять и тем быстрее они растут.

Е.З. : Развития древесной растительности не наблюдается, наоборот. В Северной Америке, южной Европе леса горят, лесная растительность деградирует, идет аридизация, осушение климата. Легкие планеты сокращаются.

А.Б. : А почему это происходит? По идее, они должны расширяться?

Е.З. : Климат - многовекторная система, могут быть разные факторы, которые мы не всегда можем учитывать. Существует точка зрения, что начнут таять ледники, что связано с потеплением климата, а это происходит.

Деградирует и Гренландский ледниковый щит, и в Арктике то высвободившееся большое количество пресной воды может изменить направление движения Гольфстрима. Тогда эта печка для Европы перестанет обогревать север Европы, и там снова начнется образование ледников. Это будет очень плохо.

Резкое потепление может дать толчок резкому похолоданию. Ледниковая шапка аккумулирует воду, начинается иссушение климата. Исчезают сплошные леса, образуются редкостойные леса. Климат становится сухой, холодный, континентальный, и он таким становится не только в Сибири, но и в Европе тоже.

Все очень сложно и взаимосвязано. Я не стал бы это упрощать, надо учитывать и современный фактор - увеличение выбросов CO2, связанное с промышленной деятельностью человека, с наличием большого количества производств, машин и так далее - с этим не поспоришь. Особенно в крупных мегаполисах, где сосредоточены большие производства.

Но другой вопрос, какие последствия это будет иметь. Человечество привыкло жить в определенных комфортных условиях. Если начнется увеличение или уменьшение уровня мирового океана, то начнутся катастрофы. Их может спровоцировать антропогенное воздействие. Человечество не настолько мало, чтобы не влиять на природную обстановку. Оно стало геологическим фактором, а не только биологическим, оно меняет более фундаментальные вещи в биосфере, в земной коре.

А.Б. : Допустим, человечество сможет сократить выброс CO2. Но это лишь один из факторов , и не самый большой. Может ли это что-то изменить, привести к какому-то резкому улучшению ситуации?

А.К. : Очень важно, с точки зрения физики атмосферы и океана, понимать, что происходит. Происходят два процесса: это процесс естественной изменчивости климата - солнце, самое наглядное, сложные периодические процессы в океане, Атлантическом, Тихом.

Есть и более изученные вещи - перетоки тепла из атмосферы в океан и обратно, которые носят цикличный характер. Эти циклические процессы накладываются на постоянное воздействие, которое носит линейный характер.

За XXI век ожидается повышение температуры в лучшем случае на два градуса, но реально - на три или три с половиной. И при этом циклически будут происходит похолодания и потепления, причем потепления - гораздо быстрее. И совершенно не очевидно, что увеличение числа опасных гидрологических явлений при понижении температуры станет меньше.

А.Б. : Это очень сложно понять человеку, который не занимается этой проблемой и в основном смотрит научно-популярные передачи, где эти вопросы примитивизируются, упрощаются, но простые аргументы действуют на сознание простого человека, который смотрит на это со стороны.

Когда ему дают график изменения температуры в XX веке и говорят: смотрите, пока человек особенно не влиял на атмосферу, температура поднималась, а когда он начал влиять, когда индустриализация была более мощной после 1940 до 1970 года, когда ситуация должна была ухудшиться, мы наблюдали похолодание.

На основе таких графиков люди говорят, что человек на самом деле не влияет, есть какие-то более мощные факторы, не зависящие от нас. Поэтому разговоры про роль человека в глобальном потеплении - миф, за которым стоят те, кому это выгодно.

Е.З. : Начитает срабатывать кумулятивный эффект, воздействие человека идет по нарастающей. На каком-то этапе оно может не проявляться, но потом, по мере увеличения концентрации CO2, парниковых газов, оно рано или поздно проявляется фактически по всему земному шару. Как в развитых районах, так и на севере, в Арктике.

Антропогенный фактор накладывается на факторы астрономические, связанные с орбитой движения Земли, цикличность сильно проявляется и так далее. И когда все друг на друга накладывается, могут произойти совершенно непредсказуемые события.

И антропогенное воздействие будет все увеличиваться, даже если будут введены ограничения на производство и так далее. Очень много выпускается автомобилей, которые загрязняют атмосферу очень сильно. И другие факторы. Они никуда не уйдут.

А травяная и древесная растительность не увеличивается, а, наоборот, происходит деградация лесного покрова.

А.Б. : Но мы видели и сообщения другого рода, что в Бразилии вдруг начали расти леса Амазонки.

Е.З. : Это есть, но вы посмотрите, что в Америке творится? На юго-западе, в Калифорнии? Там массовые лесные пожары. Нужно время, чтобы после пожара лес восстановился. После пожара несколько лет проходит, прежде чем лес начинает подрастать. А где сухо, он просто перестает расти. Лес превращается в степь, пустыню и так далее.

А.Б. : Это серьезные факторы, но для обыденного сознания трудно это совместить с его собственной деятельностью. Можно придерживаться теории, что деятельность человека - это последняя капля, которая может перевесить экологический баланс на фоне более серьезных факторов. Но когда говорят, что есть такой фактор, как пятна на Солнце, активизация Солнца, который представляет собой мощный источник энергии, по сравнению с которым вся наша деятельность - мелочь, даже сравнивать невозможно.

То же показывают графики - когда Солнце активно, температура повышается, а когда менее активно - понижается, все это коррелируется. Потом говорят, что все зависит от того, по какой орбите Земля движется. Если орбита эллиптическая - становится холоднее. И когда все это человеку говорят, он думает: ну что по сравнению с такими космическими явлениями наши несчастные выбросы в атмосферу. Как можно убедить человека, что мы своими действиями можем этот баланс нарушить?

Е.З. : Надо как-то убеждать, потому что это действительно фактор не последний. Например, леса горят и без человека - сухие грозы и так далее. Но человеческая деятельность этому способствует. Каждый должен начинать с себя. Люди должны понимать, что от них многое зависит.

Один человек может сказать: я буду делать, что считаю нужным, все равно от меня ничего не зависит. Но людей - миллионы, и если каждый так будет считать, от этого лучше не будет. Косность человеческого мышления существует, к сожалению.

А.Б. : Как убедить человека, что его машина, на которой он проедет лишние пять километров, тоже влияет на климат, даже на фоне того, что Земля на эллиптической орбите, а не на какой-то другой?

А.К. : Российские климатологи, и не только российские, задумывались, как это наглядно показать. Вероятные реакции Солнца лет через 15-20 с высокой вероятностью снизят температуру на земном шаре примерно на 0,25 градуса. А антропогенное воздействие - как минимум на два градуса. Так же было и в 30-40 годы ХХ века.

И еще характерная вещь такая: прогреваются и стратосфера, и тропосфера. То есть у вас как бы пленка парниковая, и, если греется над пленкой и под пленкой, значит - лампочка стала греть сильнее. А если под пленкой греется, а над пленкой холодает - значит, пленка стала толще. Вот как-то так наглядно можно попытаться объяснить.

А.Б. : Вы допускаете вероятность, что мы действительно находимся между двумя ледниковыми периодами и что-то произойдет, и начнется похолодание на Земле?

Е.З. : Ваш вопрос говорит о том, что мы с коллегой говорим плохо. Безусловно, мы находимся между двумя ледниковыми периодами, тем, который закончился примерно 300 тыс лет назад, и тем, который начнется через несколько тысяч лет - может быть 20, может быть, 100. Об этом мой коллега как климатолог знает лучше. Но это будет абсолютно точно. Мы говорим об иных временных масштабах. В этих масштабах влияние человека на глобальное потепление не может рассматриваться, это сотни тысяч лет.

А.Б. : То есть мы можем до этого похолодания не дожить?

Е.З. : К сожалению, точно не доживем до глобального похолодания, даже из наших правнуков никто не доживет. Будут ли периоды похолодания в течение XXI века? Да, наверное будут. Мы живем в эпоху наложения различных вариаций, в том числе солнечных, на глобальный тренд.

_____________________________________________________________

Загрузить подкаст передачи "Пятый этаж" можно .