Съдържание на въглероден диоксид в атмосферата. Внимателно! Въглероден двуокис! Как въглеродният диоксид се връща в земната атмосфера

Химичен състав

Атмосферата на Земята е възникнала в резултат на отделянето на газове по време на вулканични изригвания. С появата на океаните и биосферата се образува поради обмен на газ с вода, растения, животни и продуктите от тяхното разлагане в почви и блата.

В момента атмосферата на Земята се състои главно от газове и различни примеси (прах, водни капки, ледени кристали, морски соли, продукти от горенето).

Концентрацията на газовете, които изграждат атмосферата, е почти постоянна, с изключение на водата (H 2 O) и въглеродния диоксид (CO 2).

В допълнение към газовете, посочени в таблицата, атмосферата съдържа SO 2, NH 3, CO, озон, въглеводороди, HCl, HF, Hg пари, I 2, както и NO и много други газове в малки количества. Тропосферата постоянно съдържа голямо количество суспендирани твърди и течни частици (аерозоли).

Въглероден диоксид в земната атмосфера, към 2011 г., е представен в размер на 392 ppm или 0,0392%. Ролята на въглеродния диоксид ( CO 2 диоксидили въглероден двуокис) в живота на биосферата се състои предимно от поддържане на процеса на фотосинтеза, който се извършва от растенията. Като парников газ въглеродният диоксид във въздуха влияе на топлообмена на планетата с околното пространство, като ефективно блокира повторно излъчваната топлина на редица честоти и по този начин участва в оформянето на климата на планетата.

Поради активното използване от човечеството на изкопаеми горива като гориво, има бързо нарастване на концентрацията на този газ в атмосферата. Първото антропогенно влияние върху концентрациите на въглероден диоксид е отбелязано от средата на 19 век. Оттогава неговият темп на растеж се е увеличил и в края на 2000-те се е случил със скорост от 2,20 ± 0,01 ppm/година или 1,7% на година. Според отделни проучвания сегашното ниво на CO 2 в атмосферата е най-високото през последните 800 хиляди години и, вероятно, през последните 20 милиона години.

Роля в парниковия ефект

Въпреки относително ниската си концентрация във въздуха, CO 2 е важен компонент на земната атмосфера, тъй като абсорбира и преизлъчва инфрачервено лъчение при различни дължини на вълната, включително дължина на вълната от 4,26 μm (вибрационен режим - асиметрично разтягане на молекулата) и 14,99 μm. μm (флуктуации при огъване). Този процес елиминира или намалява радиацията от Земята в космоса при тези дължини на вълните, което води до парников ефект. Текущата промяна в концентрацията на CO 2 в атмосферата се отразява в лентите на поглъщане, където текущото му влияние върху спектъра на повторното излъчване на Земята води само до частично поглъщане.

В допълнение към парниковите свойства на въглеродния диоксид е важно също така, че той е по-тежък газ в сравнение с въздуха. Тъй като средната относителна моларна маса на въздуха е 28,98 g/mol, а моларната маса на CO 2 е 44,01 g/mol, увеличаването на дела на въглеродния диоксид води до увеличаване на плътността на въздуха и съответно до промяна в неговият профил на налягане в зависимост от височината. Поради физическата природа на парниковия ефект, такава промяна в свойствата на атмосферата води до повишаване на средната повърхностна температура.

Като цяло увеличението на концентрацията от прединдустриалните нива от 280 ppm до съвременните нива от 392 ppm е еквивалентно на допълнителни 1,8 вата, освободени на квадратен метър от повърхността на планетата. Този газ има и уникалното свойство на дългосрочно изменение на климата, което, след като емисията, която го е причинила, спре, остава до голяма степен постоянна до хиляда години. Други парникови газове, като метан и азотен оксид, съществуват свободни в атмосферата за по-кратък период от време.

Източници на въглероден диоксид

Естествените източници на въглероден диоксид в атмосферата включват вулканични изригвания, изгаряне на органични вещества във въздуха и дишане на представители на животинския свят (аеробни организми). Въглеродният диоксид също се произвежда от някои микроорганизми в резултат на процеса на ферментация, клетъчното дишане и в процеса на гниене на органични остатъци във въздуха. Антропогенните източници на емисии на CO 2 в атмосферата включват: изгаряне на изкопаеми горива за производство на топлина, генериране на електричество и транспортиране на хора и стоки. Някои промишлени дейности, като производството на цимент и изхвърлянето на газове чрез изгаряне, водят до значителни емисии на CO 2 .

Растенията превръщат получения въглероден диоксид във въглехидрати по време на фотосинтезата, която се осъществява чрез пигмента хлорофил, който използва енергията на слънчевата радиация. Полученият газ, кислород, се отделя в земната атмосфера и се използва за дишане от хетеротрофни организми и други растения, като по този начин се образува въглеродният цикъл.

Антропогенни емисии

Въглеродни емисии в атмосферата в резултат на промишлени дейности. дейност през 1800 – 2004г

С настъпването на индустриалната революция в средата на 19-ти век има прогресивно нарастване на антропогенните емисии на въглероден диоксид в атмосферата, което води до дисбаланс във въглеродния цикъл и увеличаване на концентрациите на CO 2 . В момента около 57% от въглеродния диоксид, произведен от човечеството, се отстранява от атмосферата от растенията и океаните. Съотношението на увеличението на количеството CO 2 в атмосферата към общия отделен CO 2 е постоянна стойност от около 45% и претърпява краткотрайни колебания и колебания с период от пет години.

Изгарянето на изкопаеми горива като въглища, нефт и природен газ е водещата причина за антропогенните емисии на CO 2 , като обезлесяването е втората водеща причина. През 2008 г. изгарянето на изкопаеми горива е освободило 8,67 милиарда тона въглерод в атмосферата (31,8 милиарда тона CO2), спрямо 6,14 милиарда тона годишни въглеродни емисии през 1990 г. Преобразуването на горите в използване на земя доведе до увеличаване на атмосферния въглероден диоксид, еквивалентен на изгарянето на 1,2 милиарда тона въглища през 2008 г. (1,64 милиарда тона през 1990 г.). Кумулативното увеличение за 18 години е 3% от годишния естествен цикъл на CO 2 , което е достатъчно, за да извади системата от баланс и да доведе до бързо покачване на нивата на CO 2 . В резултат на това въглеродният диоксид постепенно се натрупва в атмосферата и през 2009 г. концентрацията му е с 39% по-висока от прединдустриалните нива.

По този начин, въпреки факта, че (към 2011 г.) общите антропогенни емисии на CO2 не надвишават 8% от естествения му годишен цикъл, има увеличение на концентрациите, което се дължи не само на нивото на антропогенните емисии, но и на постоянното нарастване на нивото на емисиите във времето.

Изследователи от Института по океанография Скрипс към Калифорнийския университет в Сан Диегодокладвани USA Today, че съдържанието на въглероден диоксид в земната атмосфера е достигнало най-високото си ниво за последните 800 хиляди години. Сега е 410 ppm (части на милион). Това означава, че във всеки кубичен метър въздух въглеродният диоксид заема обем от 410 ml.

Въглероден диоксид в атмосферата

Въглеродният диоксид или въглеродният диоксид изпълнява важна функция в атмосферата на нашата планета: той предава част от радиацията от Слънцето, която загрява Земята. Въпреки това, тъй като газът също така абсорбира топлината, излъчвана от планетата, той допринася за парниковия ефект. Това се смята за основния фактор за глобалното затопляне.

Постоянното увеличаване на съдържанието на въглероден диоксид в атмосферата започва след индустриалната революция. Преди това концентрацията никога не е надвишавала 300 ppm. През април тази година беше установено най-високото средно ниво за последните 800 хиляди години. Първият път, когато цифрата от 410 ppm беше регистрирана в станция за мониторинг на качеството на въздуха в Хавай през април 2017 г., но тогава това беше по-скоро необичаен случай. През април 2018 г. тази оценка стана средна за целия месец. Концентрациите на въглероден диоксид са се увеличили с 30% от началото на наблюденията на изследователи от института Scripps.

Защо се увеличава концентрацията?

Ученият Ралф Кийлинг от института Скрипс, директор на програмата за изследване на CO2, смята, че концентрацията на въглероден диоксид в атмосферата продължава да расте поради факта, че ние постоянно изгаряме гориво. Когато се обработват нефт, газ и въглища, в атмосферата се отделят парникови газове като въглероден диоксид и метан. Газовете са причинили повишаване на температурата на Земята през последния век до нива, които не могат да бъдат обяснени с естествена променливост. Това отдавна е известен факт, но никой не предприема мерки по някакъв начин да коригира ситуацията.

На свой ред Световната метеорологична организация заяви, че нарастващите количества парникови газове допринасят за изменението на климата и правят „планетата по-опасна и негостоприемна за бъдещите поколения“. Въпросът трябва да се реши на глобално ниво и то възможно най-скоро.

Ако намерите грешка, моля, маркирайте част от текста и щракнете Ctrl+Enter.

Вячеслав Викторович Алексеев, доктор на физико-математическите науки, ръководител на лабораторията по възобновяеми енергийни източници, Географски факултет на Московския държавен университет "М. В. Ломоносов". Специалист в областта на математическото и физическо моделиране на геофизични системи.

София Валентиновна Киселева, кандидат на физико-математическите науки, старши изследовател в същата лаборатория. Занимава се с физическо моделиране на процеси на пренос на въглероден диоксид и проблеми на съвременното изменение на климата.

Надежда Ивановна Чернова, кандидат на биологичните науки, старши изследовател в същата лаборатория. Занимава се с екологичните аспекти на използването на слънчевата енергия, проблемите на рационалното използване на природните ресурси.

В началото на 1998 г. бившият президент на Националната академия на науките на САЩ Ф. Зайц подаде петиция до научната общност, призовавайки правителствата на Съединените щати и други страни да отхвърлят подписването на споразуменията, постигнати в Киото през декември 1997 г. за ограничаване на парниковите газове газови емисии. Към петицията беше приложен информационен лист, озаглавен „Въздействия върху околната среда от увеличаването на въглеродния диоксид в атмосферата“. Той съдържаше селекция от публикувани резултати от научни изследвания, предназначени да докажат не само липсата на емпирични данни, потвърждаващи бъдещото затопляне на климата, прогнозирано от много учени, но и несъмнената полза за човечеството от нарастването на парниковите газове. Прегледът изтъкна следните точки.

Сегашното увеличение на CO 2 в атмосферата се случва след почти 300 години затопляне. Следователно този растеж може да не е резултат от човешка дейност, а следствие от естествен процес - засилване на отделянето на CO 2 от океана с повишаване на температурата на водата. Освен това, в сравнение с годишния антропогенен внос на въглерод в атмосферата (5,5 Gt), съдържанието му дори в резервоарите на мобилния фонд (в атмосферата - около 750 Gt, в повърхностните слоеве на океана - 1000 Gt, близка до Земята биота, включително почви и детрит - около 2200 Gt) е толкова голям, че антропогенният фактор на растежа на CO 2 в атмосферата е трудно да се счита за значим.

Освен това авторите на обзора представят множество данни от сателитни измервания на температурата на долната тропосфера (на надморска височина около 4 km) за периода 1958-1996 г. и имайте предвид, че от 1979 г. насам има слаба отрицателна тенденция в средната глобална температура (–0,047°C за 10 години). В САЩ през последните 10 години температурата на повърхностния въздух е намаляла с 0,08°C.

В същото време данните от метеорологичните станции показват положителни тенденции в температурите на повърхностния слой (+0,07°C за 10 години). Несъответствията в резултатите означават, че моделирането на бъдещото изменение на климата въз основа на повишаващите се температури води до неправилни прогнози. Обсъждайки компютърните модели на парниковия ефект и затоплянето на климата, авторите на прегледа подчертават, че климатът е сложна, нелинейна динамична система. Несигурностите във влиянието на, например, океанските повърхностни течения, преноса на топлина в океана, влажността, облачността и т.н., според авторите, са толкова големи в сравнение с влиянието на CO 2, че оценките на модела на съвременните температурни промени значително се разминават с наличните емпирични данни. Многобройните обратни връзки на климатичната система, слабо отразени в моделите, също водят до грешки в прогнозите и несъответствия с реалността.

Критикувайки качеството на наземните измервания на температурата на въздуха, авторите на прегледа се позовават на топлинното въздействие на урбанизираните територии, което изкривява действителната картина на връзката между нарастващите концентрации на парникови газове и промените в атмосферната температура. Текущото изменение на климата не е нищо необичайно; това са просто естествени промени, причинени както от вътрешни земни вариации, така и от външни - по-специално, колебания в слънчевата активност. Сателитните данни, получени само за четири години (1993-1997), според авторите, не показват никакви промени в морското равнище, както се предвижда от моделите за глобално затопляне. Броят на силните тропически урагани в Атлантическия океан за периода 1940-1997 г. и максималната скорост на вятъра в тях намаля, което също противоречи както на идеята за глобалното затопляне, така и на резултатите от модела.

Тук трябва да се подчертае, че съществуването на повече от дузина климатообразуващи фактори е общоприето. Най-значимите са следните:

В изследване на В. В. Клименко и колеги е анализирано влиянието на тези фактори върху радиационния баланс в рамките на едно десетилетие и миналия век. При разглеждане на вековната променливост на климата се оказа, че именно натрупването на парникови газове в атмосферата определя повишаването на средната глобална температура с 0,5°C. Въпреки това авторите подчертават, че обяснението на настоящите и бъдещи промени в климата единствено с антропогенния фактор почива на много нестабилна основа, въпреки че ролята му със сигурност нараства с времето.

От особен интерес е неотдавнашната работа на С. Корти и колегите му, в която наблюдаваното затопляне в Северното полукълбо също се свързва главно с естествени промени в режимите на атмосферна циркулация. Вярно, авторите му подчертават, че този факт не може да служи като доказателство за липсата на антропогенно въздействие върху климата. Подробен моделен анализ на ролята на същите климатични фактори за повишаване на средната приземна температура на въздуха беше направен наскоро от британски учени. Техните резултати показват, че атмосферното затопляне през първата половина на 20в. (между 1910 и 1940 г.) се дължи главно на колебания в слънчевата активност и в по-малка степен на антропогенни фактори - парникови газове и тропосферен сулфатен аерозол. Що се отнася до периода 1946-1996 г., тук естествените вариации в слънчевата и вулканичната активност имат незначителен ефект върху климата в сравнение с антропогенното влияние.

Влиянието на основните климатообразуващи фактори върху промените в средната глобална приземна температура. Оценки на приноса, посочващи диапазона от стойности: парникови газове и сулфатни аерозоли (бели правоъгълници); слънчева активност (запълнено с точки) и тяхното съвместно влияние (защриховано). Черните правоъгълници показват резултатите от инструменталните наблюдения. (Tett S.F.B., Stott P.A. et al. 1999 г.)

Анализът на топлата биосфера на периода Креда като аналог на прогнозираното затопляне, извършен от Н. М. Чумаков, показа, че влиянието на основните климатообразуващи фактори (освен въглеродния диоксид) не е достатъчно, за да обясни затоплянето от такъв мащаб в миналото. Парниковият ефект с необходимата величина би съответствал на многократно увеличаване на съдържанието на CO 2 в атмосферата. Импулсът за огромните промени в климата през този период от развитието на Земята най-вероятно е положителна обратна връзка между повишаването на температурата на океаните и моретата и увеличаването на концентрацията на атмосферния въглероден диоксид.

Голямо внимание в споменатия преглед е отделено на CO 2 като „тор“. Авторите предоставят данни за ускоряване на растежа на растенията с повишено съдържание на въглероден диоксид в атмосферата. По-специално, отговорът на млади борови дървета, млади портокалови дървета и пшеница на повишаване на съдържанието на CO 2 в околната среда в диапазона от 400 до 800 ppm е почти линеен и положителен. Следователно авторите заключават, че тези данни могат лесно да бъдат прехвърлени към различни нива на обогатяване на CO 2 и към различни растителни видове. Авторите също приписват увеличаването на масата на горите в САЩ (с 30% от 1950 г.) на въздействието на нарастващото количество въглероден диоксид в атмосферата. Посочено е, че растежът на CO 2 произвежда по-голям стимулиращ ефект върху растенията, растящи в по-сухи (стресови) условия. А интензивният растеж на растителните общности, според авторите на прегледа, неизбежно води до увеличаване на общата маса на животните и има положително въздействие върху биоразнообразието като цяло. Това води до оптимистично заключение: „В резултат на увеличаването на атмосферния CO 2 живеем във все по-благоприятни екологични условия. Нашите деца ще се радват на живота на Земята с много повече растения и животни. Това е прекрасен и неочакван подарък от индустриалната революция.”

Въпреки това ни се струва, че много от данните, приложени към петицията, са доста противоречиви.

Вместо затопляне - охлаждане?

Разбира се, колебания в нивата на CO 2 в атмосферата са се случвали в минали епохи, но никога тези промени не са ставали толкова бързо. Но ако в миналото климатичните и биологичните системи на Земята, поради постепенни промени в състава на атмосферата, „успяха“ да преминат към ново стабилно състояние и бяха в почти равновесие, то в съвременния период, с интензивни , изключително бързи промени в газовия състав на атмосферата, всички земни системи излизат от стационарно състояние. И дори да приемем позицията на авторите, които отричат ​​хипотезата за глобалното затопляне, не можем да не отбележим, че последствията от подобно „напускане на квазистационарното състояние“, в частност изменението на климата, могат да бъдат най-сериозни.

Освен това, според някои прогнози, след достигане на максималната концентрация на CO 2 в атмосферата, тя ще започне да пада поради намаляване на антропогенните емисии и усвояването на въглероден диоксид от Световния океан и биотата. В този случай растенията отново ще трябва да се адаптират към променената среда.

В прегледа със сигурност правилно се отбелязва, че при моделирането на последствията от увеличаване на CO 2 и други парникови газове в атмосферата, както и в съвременните теоретични конструкции, много обратни връзки на климатичните системи не се вземат предвид, което води до неправилни прогнози и дори , както твърдят авторите, до погрешността на самата идея глобално затопляне. Според нас обаче това не трябва да води до отричане на възможно затопляне на климата, а до вероятност от непредсказуеми климатични последици (например обратен ефект - охлаждане в редица региони на земното кълбо).

В тази връзка изключително интересни са някои резултати от математическото моделиране на сложните последствия от възможни промени в климата на Земята. Експерименти с триизмерен модел на свързаната система океан-атмосфера, проведени от американски изследователи, показаха, че термохалинната северноатлантическа циркулация (Северноатлантическото течение) се забавя в отговор на затоплянето. Критичната стойност на концентрацията на CO 2, причиняваща този ефект, е между две и четири прединдустриални стойности на съдържанието на CO 2 в атмосферата (тя е равна на 280 ppm, а съвременната концентрация е около 360 ppm).

Използвайки по-прост модел на системата океан-атмосфера, експертите проведоха подробен математически анализ на процесите, описани по-горе. Според техните изчисления, когато концентрацията на въглероден диоксид се увеличава с 1% годишно (което съответства на съвременните темпове), Северноатлантическото течение се забавя, а когато съдържанието на CO 2 е равно на 750 ppm, настъпва неговият колапс - пълен спиране на циркулацията. При по-бавно нарастване на съдържанието на въглероден диоксид в атмосферата (и температурата на въздуха) - например с 0,5% годишно, когато концентрацията достигне 750 ppm, циркулацията се забавя, но след това бавно се възстановява. В случай на ускорено нарастване на парниковите газове в атмосферата и свързаното с това затопляне, Северноатлантическото течение се срива при по-ниски концентрации на CO 2 - 650 ppm. Причините за промяната на тока са, че затоплянето на земния въздух причинява повишаване на температурата на повърхностните слоеве вода, както и повишаване на налягането на наситените пари в северните райони и следователно повишена кондензация, което води до повишаване в масата обезсолена вода на повърхността на океана в Северния Атлантик. И двата процеса водят до повишена стратификация на водния стълб и забавят (или дори правят невъзможно) постоянното образуване на студени дълбоки води в Северния Атлантик, когато повърхностните води, охлаждайки се и ставайки по-тежки, потъват в дъното и след това бавно се придвижват към тропиците.

Изследванията на този вид последствия от атмосферното затопляне, проведени наскоро от Р. Ууд и колегите му, предоставят още по-интересна картина на възможни събития. В допълнение към намаляването на общия атлантически транспорт с 25%, при сегашния темп на нарастване на парниковите газове, конвекцията ще бъде „изключена“ в Лабрадорско море, един от двата северни центъра на образуване на студени дълбоки води. Освен това това може да се случи още в периода от 2000 до 2030 г.

Развитие на максималното потъване на меридионалния поток на Северноатлантическото течение (резултати от изчисленията за пет сценария на глобално затопляне). I - концентрацията на CO 2 достига 560 ppm, потокът леко отслабва, след което се възстановява; II, IV - концентрация на CO 2 - 650 и 750 ppm, скорост на нарастване на CO 2 от 1% годишно, циркулацията е разрушена; III, V - 650 и 750 ppm, скорост на растеж 0,5% годишно, потокът отслабва, след което се възстановява на по-ниско ниво.

Тези колебания в Северноатлантическото течение могат да доведат до много сериозни последствия. По-специално, ако разпределението на топлинните потоци и температурите се отклони от сегашното в Атлантическия регион на Северното полукълбо, средните температури на повърхностния въздух над Европа могат да намалеят значително. Освен това промените в скоростта на Северноатлантическото течение и нагряването на повърхностните води могат да намалят абсорбцията на CO 2 от океана (според изчисленията на споменатите експерти - с 30%, когато концентрацията на въглероден диоксид във въздуха се удвои) , което трябва да се вземе предвид както в прогнозите за бъдещото състояние на атмосферата, така и в сценариите за емисии на парникови газове. Значителни промени могат да настъпят и в морските екосистеми, включително популациите на риби и морски птици, които зависят не само от специфичните климатични условия, но и от хранителните вещества, които се носят на повърхността от студените океански течения. Тук искаме да подчертаем изключително важния момент, споменат по-горе: последиците от увеличаването на парниковите газове в атмосферата, както може да се види, могат да бъдат много по-сложни от равномерното затопляне на повърхностната атмосфера.

Възможно нарушаване на екосистемите

При моделиране на обмена на въглероден диоксид е необходимо да се вземе предвид ефектът върху газопреноса на състоянието на интерфейса между океана и атмосферата. В продължение на няколко години, в лабораторни и полеви експерименти, ние изследвахме интензивността на преноса на CO 2 в системата вода-въздух. Беше разгледан ефектът върху газообмена на условията на вятърна вълна и диспергирана среда, образувана близо до границата между две фази (пръскане над повърхността, пяна, въздушни мехурчета във водния стълб). Оказа се, че скоростта на пренос на газ, когато характерът на смущението се промени от гравитационно-капилярен към гравитационен, се увеличава значително. Този ефект (в допълнение към повишаването на температурите на повърхността на океана) може допълнително да допринесе за потока на въглероден диоксид между океана и атмосферата. От друга страна, значителен поглътител на CO 2 от атмосферата са валежите, които, както показват нашите изследвания, интензивно отмиват въглеродния диоксид, в допълнение към други газообразни примеси. Изчисленията, използващи данни за съдържанието на разтворен въглероден диоксид в дъждовната вода и годишните валежи, показват, че 0,2-1 Gt CO 2 може да навлезе в океана годишно с дъжд, а общото количество въглероден диоксид, измит от атмосферата, може да достигне 0,7-2,0 Gt .

Връщайки се към тезите на авторите на приложението към петицията, отбелязваме, че най-спорните данни изглеждат благоприятните ефекти от растежа на CO 2 върху зелените растения. Факт е, че има редица научни данни, според които повишаването на концентрацията на CO 2 в атмосферата, дори без да се вземе предвид глобалното затопляне, може да доведе до значителна промяна в структурата и функционирането на екосистемите, което може са неблагоприятни за растенията. Положителен отговор на повишен въглероден диоксид във въздуха, наблюдаван в отделно растение, не означава непременно, че ще има повишен растеж на растителните съобщества като цяло.

Идеите на авторите за ролята на CO 2 като стимулатор на растежа се коренят в детайлите на фотосинтезата. Наистина, увеличаването на концентрацията на въглероден диоксид може да засили този процес и следователно да насърчи растежа на растенията. От това се възползват така наречените C 3 растения, които включват почти всички дървета и много от основните земеделски култури: ориз, пшеница, картофи, бобови растения. В растенията C 3, на първия етап на фиксиране, молекулата на CO 2 се свързва с рибулозния дифосфат, съдържащ 5-въглеродна захар. В резултат на реакцията, протичаща под действието на ензима рибулоза дифосфат карбоксилаза, се образува краткотрайно нестабилно съединение, включително 6-въглеродна захар. Той се разпада на две производни, които съдържат по три въглеродни атома - оттук и името „C 3 растения“. Кислородът от атмосферния въздух се конкурира с въглеродния диоксид за активното място на рибулоза дифосфат карбоксилаза. Ако O 2 победи, растението губи енергия, тъй като CO 2 не се фиксира по време на използването на кислород. С увеличаването на концентрацията на въглероден диоксид се увеличава вероятността той да "победи" в конкуренцията с O2 за свързване с активния център на ензима. Наистина, в редица експерименти, когато концентрациите на CO 2 бяха определени на 600 ppm, фотодишането беше намалено с 50%, а ограничаването му означава, че растението може да използва повече от енергията си за изграждане на тъкан. Въпреки това, в тези растения, при условия на повишена концентрация на CO 2, се наблюдава повишена фотосинтеза в началния етап на експериментите, но след временно активиране тя се инхибира. Транспортната система на растенията е полигенна, зависи от много фактори (енергийни, хормонални и др.) и не може бързо да се адаптира. Следователно, при продължително излагане на растение на CO 2 при условия на повишена концентрация, фотосинтезата намалява поради прекомерното натрупване на нишесте в хлоропластите.

Но въпреки това практиката е доказала значително увеличаване на растежа и натрупването на биомаса в растения, отглеждани при повишена концентрация на въглероден диоксид, въпреки че с течение на времето интензивността на фотосинтезата намалява, доближавайки се до това, което се наблюдава при растения, живеещи в атмосфера с нормален газов състав . Това несъответствие се обяснява с регулаторния ефект на въглеродния диоксид върху растежната функция на растението. Дългосрочното излагане на растението на висока концентрация на CO 2 се придружава от увеличаване на площта на листата, стимулиране на растежа на издънки от втори ред, относително увеличаване на дела на корените и органите за съхранение в растението и повишено туберкулизация. Функцията на растеж се засилва поради образуването на нов фотосинтетичен апарат. Това показва „двойната” роля на CO 2 като субстрат в процеса на фотосинтеза и като регулатор на растежните процеси. Когато нивото на въглероден диоксид в атмосферата се повиши, се установява ново стационарно състояние на системата, съответстващо на новото ниво на въглероден диоксид, което води до увеличаване на добива главно поради увеличаване на обема на цялата фотосинтетична система и в по-малка степен поради интензивността на фотосинтезата на единица листна площ.

Добре известна техника за увеличаване на интензивността и продуктивността на фотосинтезата е увеличаването на концентрацията на въглероден диоксид в оранжериите. Този метод позволява увеличаване на растежа на биомасата. Промените в концентрацията на CO 2 обаче влияят върху състава на крайните продукти на фотосинтезата: установено е, че при високи концентрации на 14 CO 2 14 C се включва главно в захари, а при ниски концентрации - в аминокиселини (серин, глицин и т.н.).

Тъй като атмосферният въглероден диоксид се абсорбира частично от валежите и повърхностните пресни води, съдържанието на CO 2 в почвения разтвор се увеличава и в резултат на това се получава подкиселяване на околната среда. В експерименти, проведени в нашата лаборатория, беше направен опит да се изследват специфичните ефекти на CO 2, разтворен във вода, върху натрупването на биомаса от растенията. Разсадът на пшеницата се отглежда на стандартна водна хранителна среда, в която разтворен молекулярен CO 2 и бикарбонатен йон в различни концентрации служат като допълнителни източници на въглерод, в допълнение към атмосферния въглерод. Това се постига чрез промяна на времето на насищане на водния разтвор с газообразен въглероден диоксид. Оказа се, че първоначалното повишаване на концентрацията на CO 2 в хранителната среда води до стимулиране на земната и кореновата маса на пшеничните растения. Въпреки това, когато съдържанието на разтворен въглероден диоксид е 2-3 пъти по-високо от нормалното, се наблюдава инхибиране на растежа на корените на растенията с промяна в тяхната морфология. Възможно е при значително подкиселяване на околната среда да настъпи намаляване на усвояването на други хранителни вещества (азот, фосфор, калий, магнезий, калций). По този начин косвените ефекти от повишените концентрации на CO 2 трябва да се вземат предвид, когато се оценява ефектът им върху растежа на растенията.

Данните за интензификация на растежа на растения от различни видове и възрасти, дадени в приложението към петицията, оставят без отговор въпроса за условията за осигуряване на обектите на изследване с хранителни вещества. Трябва да се подчертае, че промените в концентрацията на CO 2 трябва да бъдат строго балансирани с потреблението на азот, фосфор, други хранителни вещества, светлина и вода в производствения процес, без да се нарушава екологичният баланс. По този начин се наблюдава засилен растеж на растенията при високи концентрации на CO 2 в среда, богата на хранителни вещества. Например във влажните зони в устието на залива Чесапийк (югозападна САЩ), където растат главно С 3 -растения, повишаването на CO 2 във въздуха до 700 ppm доведе до интензификация на растежа на растенията и увеличаване на плътността на растежа им . Анализ на повече от 700 агрономически работи показа, че при високи концентрации на CO 2 в околната среда, добивът на зърно е средно с 34% по-голям (където в почвата са добавени достатъчни количества торове и вода - ресурси, налични в изобилие само в развитите страни държави). За повишаване на производителността на селскостопанските култури в условията на увеличаване на въглеродния диоксид във въздуха, очевидно ще са необходими не само значително количество торове, но и продукти за растителна защита (хербициди, инсектициди, фунгициди и др.), както и обширни напоителни работи. Разумно е да се страхуваме, че цената на тези дейности и последиците за околната среда ще бъдат твърде значителни и непропорционални.

Изследванията разкриха и ролята на конкуренцията в екосистемите, което води до намаляване на стимулиращия ефект на високите концентрации на CO 2 . Наистина, разсад от дървета от един и същи вид в умерен климат (Нова Англия, САЩ) и тропиците растат по-добре при високи концентрации на атмосферен CO 2, но когато разсад от различни видове се отглеждат заедно, продуктивността на такива общности не се увеличава при същите условия. Вероятно конкуренцията за хранителни вещества възпрепятства реакциите на растенията към нарастващия въглероден диоксид.

Високото съдържание на CO 2 във въздуха може да бъде неблагоприятно за така наречените C 4 растения, първите продукти на фотосинтезата на които са съединения от четири въглеродни атома: ябълчна и аспарагинова киселина, оксалоацетат. Този клас включва много билки от сухи, горещи тропически и субтропични райони, селскостопански култури - царевица, сорго, захарна тръстика и др. C 4 растенията имат допълнителен карбоксилиращ механизъм - вид помпа, която концентрира CO 2 близо до активния център на ензима , което позволява на тези растения да растат добре при нормални концентрации на въглероден диоксид. В растенията C4, при нормални условия, консумацията на енергия за фотодишане е значително по-ниска и следователно ефективността на фотосинтезата е по-висока, отколкото в растенията C3. Приблизително същото се случва по време на фотосинтезата, която е характерна за типичните сукуленти. Нарича се CAM фотосинтеза (Crassulacean Acid Metabolism). CAM растенията, подобно на C4 растенията, използват както C3, така и C4 пътя на фотосинтезата, но се различават от C4 растенията по това, че се характеризират с разделянето на тези пътища само във времето, но не и в пространството, както при C4 растенията.

По този начин, с увеличаване на концентрацията на въглероден диоксид, растенията C3 се оказват в по-изгодна позиция от растенията C4 и CAM, а това от своя страна може да има много сериозни последствия. Много растения C4 ще станат редки или изправени пред изчезване. В агроекосистемите при отглеждане на растения С4, като царевица или захарна тръстика, повишената концентрация на CO2 може да доведе до намаляване на тяхната продуктивност, докато плевелите, които са представени главно от растения С3, ще получат предимство. В резултат на това е възможно значително намаляване на добива.

В случай на затопляне, повишеният растеж на растенията, които абсорбират атмосферния въглероден диоксид, не може да компенсира ускореното разлагане на органичната материя. Това е особено важно, тъй като местообитанията с висока географска ширина, като тундрата, са местата, където се очаква температурите да се повишат най-много. В зоните на вечна замръзналост, докато ледът се топи, все повече торф ще бъде изложен на микроорганизми, които разлагат органичната материя. Този процес от своя страна ще доведе до по-голямо отделяне на CO 2 и CH 4 в атмосферата. Изчислено е, че с повишаване на летните температури в тундрата с 4°C, до 50% от въглерода от торфа ще бъде допълнително освободен в атмосферата, въпреки по-интензивния растеж на растенията. В тази зона самата тундрова растителност е важен климатообразуващ фактор, така че със затопляне изместването на границата на гората на север ще има сериозни последици. Ще се промени структурата на хранителните запаси: лишеите и мъховете, които гравитират към ниските температури, ще бъдат заменени от храстова растителност, неподходяща за елени. В допълнение, увеличаването на дълбочината на снежната покривка ще се отрази неблагоприятно върху оцеляването на младите животни, които се появяват по това време.

Конкурентното взаимно влияние на растения с ограничени запаси от хранителни вещества ще засегне не само естествените екосистеми, но и екосистемите, създадени от хората. Ето защо е съмнителна тезата, че едно бъдещо повишаване на нивото на CO 2 в атмосферата ще доведе до по-богати реколти и, като следствие от това, до повишаване на продуктивността на животните, е съмнителна.

Изследването на адаптивната стратегия и реакцията на растенията към колебанията в основните фактори, влияещи върху изменението на климата и характеристиките на околната среда, позволи да се изяснят някои прогнози. Още през 1987 г. беше изготвен сценарий за агроклиматичните последици от съвременното изменение на климата и нарастването на CO 2 в земната атмосфера за Северна Америка. Според оценките, с увеличаване на концентрацията на CO 2 до 400 ppm и повишаване на средната глобална температура на земната повърхност с 0,5 ° C, добивът на пшеница при тези условия ще се увеличи със 7-10%. Но повишаването на температурите на въздуха в северните ширини ще бъде особено очевидно през зимата и ще причини изключително неблагоприятни чести зимни размразявания, което може да доведе до отслабване на устойчивостта на замръзване на зимните култури, замръзване на културите и увреждане от ледена кора. Прогнозираното увеличение на топлия период ще наложи избор на нови сортове с по-дълъг вегетационен период.

Що се отнася до прогнозите за добива на основните селскостопански култури за Русия, продължаващото повишаване на средните температури на повърхностния въздух и увеличаването на CO 2 в атмосферата, изглежда, трябва да имат положителен ефект. Въздействието само на нарастването на въглеродния диоксид в атмосферата може да осигури повишаване на производителността на водещите селскостопански култури - С 3 -растения (зърнени култури, картофи, цвекло и др.) - средно с 20-30%, докато за C 4 -растения (царевица, просо, сорго, амарант) този растеж е незначителен. Затоплянето обаче очевидно ще доведе до намаляване на нивото на атмосферната влага с около 10%, което ще усложни земеделието особено в южната част на европейската територия, в Поволжието, в степните райони на Западен и Източен Сибир. Тук можем да очакваме не само намаляване на добива на продукти от единица площ, но и развитие на ерозионни процеси (особено вятър), влошаване на качеството на почвата, включително загуба на хумус, засоляване и опустиняване на големи площи. Установено е, че насищането на повърхностния слой на атмосферата с дебелина до 1 m с излишък на CO 2 може да реагира с „ефект на пустинята“. Този слой абсорбира нарастващите топлинни потоци, така че в резултат на обогатяването му с въглероден диоксид (1,5 пъти в сравнение с настоящата норма) местната температура на въздуха директно на земната повърхност ще стане с няколко градуса по-висока от средната температура. Скоростта на изпаряване на влагата от почвата ще се увеличи, което ще доведе до нейното изсушаване. Поради това в цялата страна може да намалее производството на зърно, фуражи, захарно цвекло, картофи, слънчогледово семе, зеленчуци и др. В резултат на това ще се променят съотношенията между разпределението на населението и производството на основните видове земеделска продукция.

Поради това земните екосистеми са много чувствителни към увеличаването на CO 2 в атмосферата и, като абсорбират излишния въглерод по време на фотосинтезата, те от своя страна допринасят за растежа на атмосферния въглероден диоксид. Процесите на дишане на почвата играят също толкова важна роля при формирането на нивата на CO 2 в атмосферата. Известно е, че съвременното затопляне на климата причинява повишено освобождаване на неорганичен въглерод от почвите (особено в северните ширини). Моделни изчисления, извършени за оценка на реакцията на сухоземните екосистеми към глобалните промени в климата и нивата на CO 2 в атмосферата, показаха, че в случай само на увеличение на CO 2 (без изменение на климата), стимулирането на фотосинтезата намалява при високи нива на CO 2 стойности, но освобождаването на въглерод от почвите се увеличава с натрупването му в растителността и почвите. Ако нивата на CO 2 в атмосферата се стабилизират, нетното производство на екосистеми (нетният поток на въглерод между биотата и атмосферата) бързо пада до нула, тъй като фотосинтезата се компенсира от дишането на растенията и почвата. Отговорът на земните екосистеми на изменението на климата без въздействието на нарастващия CO 2, според тези изчисления, може да бъде намаляване на глобалния поток на въглерод от атмосферата към биотата поради повишено дишане на почвата в северните екосистеми и намаляване на нетния първичен производство в тропиците в резултат на намаляване на съдържанието на влага в почвата. Този резултат се подкрепя от оценките, че ефектите от затоплянето върху почвеното дишане надвишават ефектите върху растежа на растенията и намаляват съхранението на въглерод в почвата. Комбинираните ефекти от глобалното затопляне и повишаването на атмосферния CO2 могат да увеличат глобалното нетно производство на екосистеми и поглъщането на въглерод в биотата, но значително увеличаване на дишането на почвата може да компенсира това поглъщане през зимата и пролетта. Важно е, че тези прогнози за реакцията на сухоземните екосистеми значително зависят от видовия състав на растителните съобщества, снабдяването с хранителни вещества, възрастта на дървесните видове и варират значително в рамките на климатичните зони.

* * * Данните, представени в приложението към петицията, имаха за цел, както беше посочено, да предотвратят приемането на документа, разработен на международната среща в Киото през 1997 г. и отворен за подпис от март 1998 г. до март 1999 г. Както показват резултатите на срещата в Буенос-Айрес (ноември 1998 г.), вероятността този документ да бъде подписан от редица индустриализирани страни и преди всичко от САЩ, практически липсва. В тази връзка е необходимо да се подобрят стратегиите за решаване на проблема с глобалното изменение на климата.

Заместник-директорът на The World Watch Institute К. Флавин смята създаването на инициативна група за необходим елемент от по-нататъшното движение. Той ще включва страни (по-специално Европа и Латинска Америка), подписали Протокола от Киото, най-големите градове, „конструктивно мислещи корпорации и фирми“ („British Petroleum“, „Enron Corporation“, „Royal Deutsch Shell“ и др.) , активно подкрепящи ограничаването на емисиите на парникови газове и участващи в процеса на ограничаване на техните емисии на базата на търговия с емисии.

Според нас важен принос за решаването на този проблем би могло да бъде въвеждането на енергоспестяващи технологии и използването на възобновяеми енергийни източници.

Литература

1 Robinson A.B., Baliunas S.L., Soon W., Robinson Z.W. Ефекти върху околната среда от повишения въглероден диоксид в атмосферата. Петицията, заедно с рецензията, беше изпратена до научни институти и отделни учени с молба да я подпишат и впоследствие да я разпространят сред колегите. Копие от петицията и рецензията на руски и английски език можете да намерите в редакцията на „Природа“.

2 За повече подробности вижте: Sidorenkov N.S. Междугодишни колебания в системата атмосфера-океан-Земя //Природа. 1998. № 7. С.26-34.

3 Клименко В.В., Клименко А.В., Снитин С.Ю., Федоров М.В. // Топлоенергетика. 1994. № 1. С.5-11.

4 Корти С., Молтени Ф., Палмър Т.Н. //Природа. 1999.V.398. № 6730. P.799-802.

5 Tett S.F.B., Стот P.S., Алън M.R., Инграм W.J., Мичъл J.F.B. //Природа. 1999.V.399. № 6736. P.569-572.

16 Мокроносов А.Т. Фотосинтеза и промени в съдържанието на CO 2 в атмосферата // Nature. 1994. № 7. С.25-27.

17 Скурлатов Ю.И. и др.. Въведение в химията на околната среда. М., 1994. С.38.

18 Романенко Г.А., Комов Н.В., Тютюнников А.И. Изменението на климата и възможните последици от този процес в селското стопанство // Земните ресурси на Русия, ефективността на тяхното използване. М., 1995. С.87-94.

19 Mingkui C., Woodward F. I. // Nature. 1998.V.393. № 6682. С.249-252.

Проблемът с излишното съдържание на въглероден диоксид във въздуха на закрито се обсъжда все повече през последните 20 години. Излизат нови проучвания и се публикуват нови данни. В съответствие ли са строителните норми за сградите, в които живеем и работим?

Благосъстоянието и работоспособността на човек са тясно свързани с качеството на въздуха, където той работи и почива. А качеството на въздуха може да се определи от концентрацията на въглероден диоксид CO2.

Защо CO2?

• Този газ е навсякъде, където има хора.
• Концентрацията на въглероден диоксид в помещението зависи пряко от човешките жизнени процеси - в крайна сметка ние го издишваме.
• Превишаването на нивото на въглероден диоксид е вредно за човешкото тяло, така че трябва да се наблюдава.
• Увеличаването на концентрацията на CO2 ясно показва проблеми с вентилацията.
• Колкото по-лоша е вентилацията, толкова повече замърсители се концентрират във въздуха. Следователно увеличаването на въглеродния диоксид в затворени помещения е знак, че качеството на въздуха се влошава.

През последните години в професионалните среди на лекари и строителни проектанти имаше предложения за преразглеждане на методологията за определяне на качеството на въздуха и разширяване на списъка на измерваните вещества. Но досега не е открито нищо по-очевидно от промени в нивата на CO2.

Как да разберете дали нивата на въглероден диоксид на закрито са приемливи? Експертите предлагат списъци със стандарти и те ще бъдат различни за сгради с различни цели.

Жилищни стандарти за въглероден диоксид

Проектантите на апартаменти и частни сгради вземат за основа GOST 30494-2011, озаглавен „Жилищни и обществени сгради. Параметри на вътрешния микроклимат." Този документ счита, че оптималното ниво на CO2 за човешкото здраве е 800 - 1000 ppm. Знакът от 1400 ppm е границата на допустимото съдържание на въглероден диоксид в помещението. Ако има повече от него, тогава качеството на въздуха се счита за лошо.

Въпреки това, 1000 ppm вече не се признават за нормални от редица изследвания, посветени на зависимостта на състоянието на тялото от нивата на CO2. Техните данни показват, че при около 1000 ppm повече от половината от субектите усещат влошаване на микроклимата: повишен пулс, главоболие, умора и, разбира се, прословутото „не може да диша“.

Физиолозите смятат, че нормалното ниво на CO2 е 600 – 800 ppm.

Въпреки че са възможни отделни оплаквания от запушване дори при посочената концентрация.

Оказва се, че строителните стандарти за нивата на CO2 противоречат на заключенията на физиологичните изследователи. През последните години именно от последния има все по-шумни призиви за актуализиране на допустимите граници, но засега нещата не стигат по-далеч от призивите. Колкото по-нисък е стандартът за CO2, от който се ръководят строителите, толкова по-евтино струва. И тези, които са принудени сами да решават проблема с вентилацията на апартамента, трябва да плащат за това.

Норми за въглероден диоксид в училищата

Колкото повече въглероден диоксид има във въздуха, толкова по-трудно е да се концентрирате и да се справите с работното си натоварване. Знаейки това, американските власти препоръчват училищата да поддържат нива на CO2 не по-високи от 600 ppm. В Русия марката е малко по-висока: вече споменатият GOST счита 800 ppm или по-малко за оптимални за детски институции. На практика обаче не само американското, но и руското препоръчително ниво е мечта за повечето училища.

Един от нашите показа: повече от половината от учебното време количеството въглероден диоксид във въздуха надвишава 1500 ppm, а понякога се доближава до 2500 ppm! При такива условия е невъзможно да се концентрира, способността за възприемане на информация е критично намалена. Други възможни симптоми на излишък на CO2: хипервентилация, изпотяване, възпаление на очите, назална конгестия, затруднено дишане.

Защо се случва това? Офисите рядко се проветряват, защото отвореният прозорец означава студени деца и шум от улицата. Дори ако училищната сграда има силна централна вентилация, тя обикновено е или шумна, или остаряла. Но дограмата в повечето училища е модерна - пластмасова, уплътнена и херметична. При размер на класа от 25 души в офис с площ от 50–60 m2 със затворен прозорец, въглеродният диоксид във въздуха скача с 800 ppm само за половин час.

Стандарти за въглероден диоксид в офиси

В офисите се наблюдават същите проблеми, както и в училищата: повишените концентрации на CO2 затрудняват концентрацията. Грешките се умножават и производителността намалява.

Стандартите за съдържание на въглероден диоксид във въздуха за офиси като цяло са същите като за апартаменти и къщи: 800 – 1400 ppm се считат за приемливи. Въпреки това, както вече разбрахме, дори 1000 ppm причиняват дискомфорт на всеки втори човек.

За съжаление в много офиси проблемът не е решен по никакъв начин. Някъде просто не знаят нищо за това, някъде ръководството умишлено го игнорира, а някъде се опитват да го решат с помощта на климатик. Поток от хладен въздух наистина създава краткотрайна илюзия за комфорт, но въглеродният диоксид не изчезва никъде и продължава да върши мръсната си работа.

Възможно е и офис пространството да е построено по всички стандарти, но да се експлоатира с нарушения. Например гъстотата на служителите е твърде висока. Според строителните норми трябва да има от 4 до 6,5 m2 пространство на човек. Ако има повече служители, тогава въглеродният диоксид се натрупва по-бързо във въздуха.

Заключения и резултати

Проблемът с вентилацията е най-остър в апартаменти, офис сгради и детски заведения.
Има две причини за това:

1. Несъответствие между строителните стандарти и санитарно-хигиенните препоръки.
Първите казват: не повече от 1400 ppm CO2, вторите предупреждават: това е твърде много.

2. Неспазване на стандартите при строителството, реконструкцията или експлоатацията на сграда.
Най-простият пример е инсталирането на пластмасови прозорци, които не позволяват преминаването на външния въздух и по този начин влошават ситуацията с натрупването на въглероден диоксид на закрито.

Въглероден диоксид (CO2).

Въглеродният диоксид е може би най-важният от всички парникови газове, изпускани в атмосферата от хората, първо защото предизвиква силен парников ефект и второ, защото голяма част от него се произвежда от хората.

Въглеродният диоксид е много „естествен“ компонент на атмосферата - толкова естествен, че едва наскоро започнахме да мислим за антропогенния въглероден диоксид като замърсител. Въглеродният диоксид може да бъде нещо добро. Ключовият въпрос обаче е в кой момент CO2 става твърде много? Или, с други думи, в какви количества започва да има вредно въздействие върху околната среда?

Това, което днес изглежда естествено от човешка гледна точка, може да се различава значително от това, което е било естествено за Земята по време на нейното еволюционно развитие. Историята на човечеството представлява само много тънък отрязък (не повече от няколко милиона години) от геоложки слой, датиращ от преди повече от 4,6 милиарда години.

Някои еколози се опасяват, че въглеродният диоксид ще доведе до катастрофални промени в климата, като тези, описани в книгата на Бил Маккибън „Краят на природата“.

Най-вероятно въглеродният диоксид доминира в ранната атмосфера на Земята. Днес съдържанието на CO2 в атмосферата е само около 0,03 процента, а най-песимистичните прогнози предвиждат нивото му да нарасне до 0,09 процента до 2100 г. Някои учени смятат, че преди около 4,5 милиарда години CO2 е съставлявал 80 процента от земната атмосфера, като първоначално бавно е спаднал до 30 до 20 процента през следващите 2,5 милиарда години. Свободният кислород е бил практически непознат в ранната атмосфера и е бил токсичен за анаеробните форми на живот, които са съществували по това време.

Човешкото съществуване, както знаем днес, в условията на излишък на въглероден диоксид в атмосферата беше просто невъзможно. За щастие на хората и животните, по-голямата част от CO2 е била отстранена от атмосферата късно в историята на Земята, когато морските обитатели, ранните форми на водорасли, са развили способността да фотосинтезират. По време на фотосинтезата растенията използват енергията от слънцето, за да превърнат въглеродния диоксид и водата в захар и кислород. В крайна сметка водораслите и други по-напреднали форми на живот, които са еволюирали (планктон, растения и дървета), са умрели, отделяйки по-голямата част от въглерода в различни въглеродни минерали (нефтени шисти, въглища и петрол) в земната кора. Това, което остава в атмосферата, е кислородът, който дишаме сега.

Въглеродният диоксид навлиза в атмосферата от различни източници - повечето от които са естествени. Но количеството CO2 обикновено остава приблизително същото ниво, тъй като има механизми, които премахват въглеродния диоксид от атмосферата (Фигура 5 дава опростена диаграма на циркулацията на CO2 в атмосферата).

Един от основните естествени механизми на циркулация на CO2 е обменът на газове между атмосферата и повърхността на океаните. Този обмен е много фин, добре балансиран процес на обратна връзка. Количеството въглероден диоксид е наистина огромно. Учените измерват тези количества в гигатони (Ggt - милиарди метрични тонове) въглерод за удобство.

Въглеродният диоксид се разтваря лесно във вода (процесът, който произвежда газирана вода). Освен това се освобождава лесно от вода (виждаме това като шумене в газирана вода). Атмосферният въглероден диоксид непрекъснато се разтваря във вода на повърхността на океаните и се освобождава обратно в атмосферата. Това явление почти изцяло се обяснява с физични и химични процеси. Повърхността на световните океани освобождава 90 Ggt въглерод годишно и абсорбира 92 Ggt въглерод. Когато учените сравнят тези два процеса, се оказва, че повърхността на световните океани всъщност е поглътител на въглероден диоксид, тоест абсорбира повече CO2, отколкото изпуска обратно в атмосферата.

Големината на потоците въглероден диоксид в цикъла атмосфера/океан остава най-важният фактор, тъй като малки промени в съществуващия баланс могат да имат непредвидими последици за други природни процеси.

Биологичните процеси играят също толкова важна роля в циркулацията на въглеродния диоксид в атмосферата. CO2 е необходим за фотосинтезата. Растенията „дишат“ въглероден диоксид, като абсорбират около 102 Ggt въглерод годишно. Но растенията, животните и другите организми също отделят CO2. Една от причините за образуването на въглероден диоксид се обяснява с метаболитния процес - дишането. Когато живите организми дишат, те изгарят кислорода, който вдишват. Хората и други сухоземни животни например вдишват кислород, за да поддържат живота си, и издишват въглероден диоксид обратно в атмосферата като отпадъци. Според изчисленията всички живи организми на Земята годишно издишват около 50 Ggt въглерод.

Когато растенията и животните умират, съдържащите се в тях органични въглеродни съединения се включват в почвата или калта на влажните зони. Природата компостира тези продукти от изсъхнал живот като градинар, разграждайки ги на съставните им части чрез различни химични трансформации и работата на микроорганизми. Според изчисленията на учените по време на гниенето около 50 Ggt въглерод се освобождават обратно в атмосферата.

По този начин 102 Ggt въглерод, абсорбиран от атмосферата годишно, е почти сто процента балансиран от 102 Ggt въглерод, който навлиза в атмосферата годишно чрез дишането и гниенето на животни и растения. Необходимо е да сме напълно наясно с големината на въглеродните потоци в природата, тъй като незначителните отклонения в съществуващия баланс могат да имат далечни последици.

В сравнение с цикъла атмосфера-океан и биологичния цикъл, количеството въглероден диоксид, отделено в атмосферата в резултат на човешката дейност, изглежда на пръв поглед незначително. Когато хората изгарят въглища, нефт и природен газ, те освобождават приблизително 5,7 Ggt въглерод в атмосферата (според IPCC). Когато хората изсичат и изгарят гори, те добавят още 2 Gg тона. Моля, имайте предвид, че има различни оценки за количеството въглерод, изпуснат в атмосферата в резултат на обезлесяването.

Тези количества несъмнено играят роля, тъй като естествените въглеродни цикли (атмосфера/океан и биологичен цикъл) са били в добре регулирано равновесие от дълго време. Поне балансът е бил поддържан през периода от време, през който е станало раждането и развитието на човечеството. Изглежда, че човешките промишлени и селскостопански дейности значително са изкривили въглеродния баланс.

Различни научни изследвания показват увеличение на концентрациите на въглероден диоксид в атмосферата през последните няколко века. През това време световното население нараства експоненциално, парната машина започва да се използва в промишлеността, колите с двигатели с вътрешно горене се разпространяват по цялата планета, а мигрантските фермери изчистват огромни площи в Америка, Австралия и Азия от растителност.

През същото време концентрациите на въглероден диоксид в атмосферата се увеличиха от 280 части на милион (ppmv) от прединдустриалния период (1750 г.) до около 353 ppmv, увеличение от приблизително 25 процента. Това количество може да бъде достатъчно, за да предизвика значителни промени, ако климатът е наистина чувствителен към парникови газове до степента, която учените предполагат. Измерванията в обсерваторията Manua Loa в Хавай, далеч от източниците на промишлено замърсяване, показват стабилно нарастване на концентрациите на CO2 между 1958 и 1990 г. (Фигура 6). През последните две години обаче няма увеличение на концентрациите на въглероден диоксид.

Тясната връзка между концентрациите на въглероден диоксид и очакваните глобални средни температури е поразителна (Фигура 7)! Все още обаче остава загадка дали тази връзка се дължи на случайност. Лесно е да се изкушите да отдадете температурните колебания на колебанията в концентрациите на CO2. Но връзката може да бъде и обърната - промяна в температурата може да причини промяна в концентрациите на въглероден диоксид.