Углекислый газ в атмосфере Земли

Изменения концентрации CO₂ в ppm на протяжении последних Шаблон:Nobr (сверху — за последнюю тысячу лет) по 2019 год.

Углеки́слый газ в атмосфе́ре Земли́ является компонентом с незначительной концентрацией в современной земной атмосфере, концентрация углекислого газа (CO₂, диоксида углерода) в сухом воздухе составляет Шаблон:Nobr (Шаблон:Nobr). Углекислый газ составлял основу атмосферы молодой Земли наряду с азотом и водяным паром. Доля углекислого газа снижалась с момента появления океанов и зарождения жизни. Начиная с середины XIX века отмечается устойчивый рост количества этого газа в атмосфере, с ноября 2015 года его среднемесячная концентрация стабильно превышает Шаблон:Nobr, а в 2022 году в полтора раза превысила доиндустриальную.

Роль углекислого газа в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, диоксид углерода в воздухе влияет на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучаемое 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. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до Шаблон:Nobr антропогенных выбросов CO₂ являются результатом обезлесения. Впервые антропогенное влияние на концентрацию диоксида углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп его роста увеличивался и в 2010-х годах происходил со скоростью Шаблон:Nobr ppm/год или Шаблон:Nobr за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO₂ в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 14 или Шаблон:Nobr.

Роль в парниковом эффекте

Спектр пропускания земной атмосферы (зависимость прозрачности от длины волны). Видны полосы поглощения CO₂, O₂, O₃ и H₂O.

Прозрачность атмосферы Земли в видимом и инфракрасном диапазонах (поглощение и рассеивание), переизлучение солнечного света в инфракрасном диапазоне длин вол:
1. Интенсивность солнечного излучения (слева) и инфракрасного излучения поверхности Земли (справа) — даны спектральные интенсивности без учёта и с учётом поглощения
2. Суммарное поглощение и рассеивание в атмосфере в зависимости от длины волны
3. Спектры поглощения различных парниковых газов и рэлеевское рассеяние.

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является газообразная вода, присутствующая в воздухе в виде водяного пара. При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной Шаблон:Nobr средняя температура на поверхности должна составлять Шаблон:Nobr В действительности средняя температура поверхности Земли составляет Шаблон:Nobr то есть, парниковый эффект приводит к её увеличению на Шаблон:Nobr. При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO₂ является вторым по значимости парниковым газом в атмосфере, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны Шаблон:Nobr (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения молекулы) и Шаблон:Nobr (изгибные колебания молекулы). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту. Так как на основных частотах поглощения атмосферный CO₂ полностью исключает переизлучение в космос, текущее увеличение концентрации сказывается только в полосах поглощения, где его современное влияние на спектр переизлучения Земли приводит лишь к частичному поглощению. В целом наличие углекислого газа и его парникового эффекта в атмосфере приводит к увеличению приповерхностной температуры на величину порядка Шаблон:Nobr а влажность воздуха ответственна за оставшуюся часть парникового эффекта при малом влиянии других газов.

Кроме инфракрасных свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет Шаблон:Nobr, а молярная масса CO₂ — Шаблон:Nobr, 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 CO₂ 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 (Шаблон:Nobr) — 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 Шаблон:Nobr до современного Шаблон:Nobr (414,7 ppmv в среднем за 2021 год) эквивалентно дополнительному выделению Шаблон:Nobr 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 служить 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

Псевдоцветное изображение загрязнения воздуха дымом и озоном в результате пожаров в Индонезии, 1997 год

Летние пожары в 2010 году в России, вид из космоса

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 CO₂ в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO₂ приводят некоторые виды промышленной деятельности, такие, например, как производство цемента и утилизация попутных нефтяных газов путём 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.

Естественные источники

Шаблон:Main Большинство источников эмиссии по данным 98−го года РФ CO₂ являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению Шаблон:Nobr тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют Шаблон:Nobr. 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 Шаблон:Не переведено 3 было выделено Шаблон:Nobr от среднегодовой эмиссии CO₂, 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 Шаблон:Nobr тонн в год или менее Шаблон:Nobr от антропогенной.

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы — часть CO₂ растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5Шаблон:E т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет Шаблон:Nobr то в среднем весь атмосферный CO₂ участвует в углеродном цикле раз в шесть лет. Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO₂ биосферой превосходило его выделение на ≈Шаблон:Nobr тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации.

Антропогенная эмиссия

Эмиссия углерода в атмосферу в результате промышленной деятельности в 1800—2004 гг.

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO₂. В настоящее время около Шаблон:Nobr производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами. Соотношение увеличения количества CO₂ в атмосфере ко всему выделенному CO₂ составляет постоянную величину порядка Шаблон:Nobr 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 CO₂. Вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено Шаблон:Nobr тонн углерода (Шаблон:Nobr тонн CO₂), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла Шаблон:Nobr тонн. Сведение лесов под землепользование привело к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию Шаблон:Nobr тонн угля в 2008 году (Шаблон:Nobr тонн в 1990). Суммарное увеличение за 18 лет составляет Шаблон:Nobr от ежегодного естественного цикла CO₂, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO₂. Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на Шаблон:Nobr превысила доиндустриальное значение.

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO₂ не превосходит Шаблон:Nobr 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 CO₂ 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.).

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO₂ оставалось в пределах Шаблон:Nobr то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило Шаблон:Nobr. При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума Шаблон:Nobr лет до Шаблон:Nobr была приблизительно на Шаблон:Nobr выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала Шаблон:Nobr.

Влияние вулканизма

Извержение вулкана Пинатубо в 1991 г.

Современный вулканизм в среднем приводит к выделению Шаблон:Nobr CO₂ в год, что составляет величину менее Шаблон:Nobr от антропогенной эмиссии. Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожжённого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ — второй по количеству (после водяного пара) газ, выделяемый вулканами. Большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворённым в воде. Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO₂, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объёма вулканической эмиссии CO₂.

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки 1783 года выделилось примерно Шаблон:Nobr тонн CO₂, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн. Отдельные исследования указывают на несколько бо́льшее выделение диоксида углерода при упомянутых выше извержениях (Лаки 1783 год ≈Шаблон:Nobr), но относительная редкость подобных событий делает их влияние на содержание углекислого газа несущественным и в этом случае.

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо 1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на Шаблон:Nobr средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта. Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 1990-х годов. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO₂ растительностью.

Современная концентрация углекислого газа в атмосфере

Сезонные колебания и изменение по широте концентрации углекислого газа в интервале с 2005 по 2014 год.

Ежемесячная и усреднённая за год концентрации атмосферного CO₂, на основе наблюдений в обсерватории Мауна-Лоа, Гавайи. На врезке показаны сезонные отклонения от среднегодового значения.

Шаблон:Main В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO₂ в земной атмосфере составляла Шаблон:Nobr или Шаблон:Nobr, в сентябре 2016 года превысила Шаблон:Nobr.

Вместе с годовым ростом Шаблон:Nobr ppm/год, в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой Шаблон:Nobr, 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 CO₂. 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 Шаблон:Nobr.

В 2017 году Всемирная метеорологическая организация сообщила, что концентрация диоксида углерода в атмосфере Земли достигла самого высокого уровня за последние Шаблон:Nobr лет уровня: Шаблон:Nobr.

По данным Погодной обсерватории на Мауна-Лоа в 2021 году зафиксирован новый среднегодовой максимум концентрации CO₂ в атмосфере Шаблон:Nobr, а в мае 2022 — среднемесячный Шаблон:Nobr.

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 CO₂ оставался в пределах Шаблон:Nobr до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента Шаблон:Nobr. Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO₂ 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 CO₂ в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO₂ на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает Шаблон:Nobr лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180—210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до Шаблон:Nobr в более теплые периоды.

Изменения концентрации атмосферного углекислого газа в течение фанерозоя (последние 541 млн лет, современность справа). В течение бо́льшей части последних Шаблон:Nobr лет уровень CO₂ значительно превосходил современный.

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO₂ 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 CO₂. 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 Шаблон:Не переведено 3 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 CO₂ в прошлом, которые Шаблон:Nobr лет назад составляли Шаблон:Nobr Шаблон:Nobr и Шаблон:Nobr лет назад — Шаблон:Nobr.

Снижение уровня атмосферного CO₂ прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная примерно с Шаблон:Nobr лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад — начало формирования современного ледяного щита Антарктиды) количество CO₂ составляло 760 ppm. По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня Шаблон:Nobr лет назад и составлял Шаблон:Nobr

Взаимосвязь с концентрацией в океане

Обмен диоксидом углерода между водоёмами и воздухом

В земных океанах диоксида углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36Шаблон:E тонн в пересчёте на углерод. Растворенный в воде CO₂ содержится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO₂. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

$\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟷\mathrm{C}\mathrm{a}{\phantom{A}}^{2+}+2\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}$.

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO₂. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO₂ в левой части уменьшает pH, 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 CO₂. 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 CO₂, 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 CO₂ в атмосфере на продуктивность растений (фотосинтеза)

По способу фиксации CO₂ подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4. К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около Шаблон:Nobr 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 CO₂ в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO₂ в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO₂ более Шаблон:Nobr.

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO₂ в Шаблон:Nobr. Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент более 400 молекул на миллион (ppm), уже достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё ещё очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO₂ приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на Шаблон:Nobr, а у С4 — на Шаблон:Nobr

Добавление в окружающий воздух Шаблон:Nobr CO₂ приведет к росту продуктивности у С3-растений на Шаблон:Nobr и у С4 — на Шаблон:Nobr у фруктовых деревьев и бахчевых культур — на Шаблон:Nobr бобовых — на Шаблон:Nobr корнеплодных — на Шаблон:Nobr овощных — на Шаблон:Nobr

С 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации CO₂ на Шаблон:Nobr отмечалось увеличение содержания биомассы в лесах Европы на Шаблон:Nobr.

См. также

• Углекислый газ
• Геохимический цикл углерода
• Глобальное потепление
• Изменение климата
• Киотский протокол
• Ископаемое топливо
• Эффективность фотосинтеза
• Погодная обсерватория на Мауна-Лоа
• Список стран по эмиссии CO2

Ссылки

• Углекислый газ в атмосфере земли, Б. М. Смирнов, Объединённый институт высоких температур РАН, 126 (11) (1978), Москва