Человек и климат

Автор: Пользователь скрыл имя, 12 Декабря 2012 в 22:36, реферат

Краткое описание

Влияние человека на климат начало проявляться несколько тысяч лет тому назад в связи с развитием земледелия. Во многих районах для обработки земли уничтожалась лесная растительность, что приводило к увеличению скорости ветра у земной поверхности, некоторому изменению режима температуры и влажности нижнего слоя воздуха, а также к изменению режима влажности почвы, испарения и

Файлы: 1 файл

экология.docx

— 38.55 Кб (Скачать)

 

Содержание изотопа С  в атмосферном углекислом газе.

 Содержание изотопа  выражается отклонением ( ) ( ) отношения  от общепринятого стандарта. Первые  измерения содержания изотопа  в атмосфере были проведены  Килингом в 1956 году и повторены  им же в 1978 году. Значение для  атмосферного в 1956 году было  равно 7 , а в 1978 составляло -7,65 . Недавно были опубликованы также  данные измерений в углекислом  газе воздушных включений в  ледниках. В среднем оценки уменьшения  в атмосферном в течение последних  200 лет составляют 1,0-1,5 . Наблюдаемые  изменения содержания вызваны  главным образом поступлением  в атмосферу с меньшим значением  при вырубке лесов, изменении  характера землепользования и  сжигания ископаемого топлива.

 

Содержание изотопа С  в атмосферном углекислом газе.

 Количество изотопа  на Земле зависит от баланса  между образованием под воздействием  космического излучения и его  радиоактивным распадом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной  и промышленной революции распределение  изотопа в различных резервуарах  углерода сохранялось примерно  неизменным. До начала заметных  изменений, вызванных выбросами  при испытаниях ядерного оружия, с начала прошлого века до  середины текущего происходило  уменьшение содержания . Оно было  главным образом вызвано выбросом  за счёт сжигания ископаемого  топлива, в котором не содержится  радиоактивный изотоп . Это привело  к уменьшению содержания в  атмосфере. Начиная с первых  испытаний ядерного оружия в  1952 и 1954 годах наблюдались существенные  изменения содержания в атмосферном  углекислом газе. Большое поступление  в атмосферу произошло в результате  ядерных испытаний, проведённых  США в Тихом океане в 1958 году  и СССР в 1961-1962 годах. После  этого выбросы были заметно  ограничены. Первоначально большая  часть радиоактивных продуктов  переносилась в стратосферу. Поскольку  время обмена между стратосферой  и атмосферой составляет несколько  лет, то уменьшение концентрации  изотопа в тропосфере, обусловленное  взаимодействием с континентальной  биотой и океанами, начиная с  1965 года происходило более медленно  за счёт поступления этого  изотопа из стратосферы.

Перемешивание в атмосфере.

 Перемешивание воздуха  в тропосфере происходит довольно  быстро. Пассаты в средних широтах  в обоих полушариях огибают  Землю в среднем примерно за  один месяц, вертикальное перемещение  между земной поверх-ностью и  тропопаузой (на высоте от 12 до 16 км) также происходит в течение  месяца, перемешивание в направлении  с севера на юг в пределах  полушария происходит приблизительно  за три месяца, а эффективный  обмен между двумя полушариями  осуществляется примерно за год.  Поскольку в данной работе  рассматриваются процессы, изменения  которых происходят за время  порядка нескольких лет, десятилетий  и столетий, можно считать, что  тропосфера в любой момент  времени хорошо перемешана. Это  предположение основано на том,  что средние годовые значения  концентрации для высоких северных  и высоких южных широт отличаются  только на 1,5-2,0 млн . В северном  полушарии концентрация выше, чем  в южном. Различие концентраций  в северном и южном полушариях, вероятно, вызвано тем, что около  90% источников промышленных выбросов  расположено в северном полушарии.  За последние десятилетия эта  разница увеличилась, поскольку  потребление ископаемого топлива  также возросло. Обмен между стратосферой  и тропосферой происходит значительно  медленнее, чем в тропосфере, поэтому  сезонные колебания концентрации  атмосферного углекислого газа  выше тропопаузы быстро уменьшаются.  В стратосфере рост концентрации  значительно запаздывает по сравнению  с её ростом в тропосфере. Так,  согласно измерениям, концентрации  на высоте 36 км примерно на 7 млн  меньше, чем на уровне тропопаузы (т.е. на высоте 15 км). Это соответствует  времени перемешивания между  стратосферой и тропосферой, равному  5-8 годам.

Газообмен в системе атмосфера - океан.

Скорость газообмена.

 В стационарном состоянии,  существовавшем в доиндустриальное  время, более 90% содержащегося  на Земле изотопа находилось  в морской воде и донных  отложениях (содержание в последних  составляет всего несколько процентов). Существовал примерный баланс  между переносом из атмосферы  в океан и радиоактивным распадом  внутри океана. Средний глобальный  обмен между атмосферой и океаном  можно определить путём измерения  разности содержания в углекислом  газе атмосферы и растворённом  в поверхностном слое океана. Данные наблюдений за уменьшением  концентрации в атмосфере и  её увеличением в поверхно-стных  водах океана после проведения  испытаний ядерного оружия дают  ещё одну возможность определить  скорость газообмена. Третий способ  оценки скорости газообмена между  атмосферой и океаном заключается  в измерении отклонения от  состояния равновесия между и  , обусловленного поступлением из  океана в атмосферу. Средняя  скорость газообмена между атмосферой  и океаном при концентрации  в атмосфере 300 млн , полученная  на основе этих трёх способов, равна 18 5 моль/(м год). Это означает, что среднее время пребывания  в атмосфере равно 8,5 2 лет. Скорость  газообмена на границе раздела  между атмосферой и океаном  зависит от состояния поверхности  океана, от скорости ветра и  волнения.

Буферные свойства карбонатной  системы.

 При растворении в  морской воде происходит реакция  гидратации с образованием угольной  кислоты , которая в свою очередь  диссоциирует на ионы . Карбонатная  система определяется суммарной  концентрацией растворённого неорганического  углерода ( ); полным содержанием  боратов ( В); щелочным резервом (А); кислотностью (pH); парциальным давлением  расворённого углекислого газа , которое при условии равновесия  с атмосферой равно парциальному  давлению в ат-мосфере. При  поглощении морской водой щёлочность  остаётся неиз-менной, а образование  и разложение органических и неорганических соеди-нений приводит к изменению как , так и А. Карбонатная система имеет следующие основные особенности:

1. Растворимость в морской  воде и соответственно концентрация  суммарного углерода, находящегося  в равновесии с атмосферным  при заданном значении концентрации  последнего, зависят от температу-ры.

2. Обмен между газовой  фазой и раствором зависит  от так назы-ваемого буферного  фактора, который также называют  фактором Ревелла.

Растворимость и буферный фактор увеличиваются при понижении  темпера-туры. Так как изменение  парциального давления углекислого  газа в на-правлении от полюса к  экватору невелико, в среднем переносится  из атмосферы в океан в высоких  широтах и в противоположном  направлении в низких, хотя наблюдаются  отклонения от этой упрощённой картины  вследствие того, что в результате апвеллинга из глубинных слоёв океана к поверхности приносятся обогащённые  углекислым газом воды. Буферный фактор имеет величину порядка 10 и увеличивается  с ростом значений . Это означает, что чувствительно к довольно малым изменениям в воде. При сохранении равновесия в системе атмосфера - поверхностные воды океана изменение  концентрации в атмосфере примерно на 25% в течение последних 100 лет  вызовет изменение содержания суммарного расворённого неорганического углерода в поверхностных водах только на 2-2,5%. Таким образом, способность  океана поглощать избыточный атмосферный  в 10 раз меньше той, которую можно  было бы ожидать исходя из сравнения  размеров природных резервуаров  углерода.

Углерод в морской воде.

Полное содержание углерода и щёлочность.

 Как показали исследования, содержание суммарного неорганического  углерода в океане в 1983 году  более, чем в 50 раз превышало  содержание в атмосфере. Кроме  того, в океане находятся значительные  количества растворённого органического  углерода. Вертикальное распределение  не является однородным, его концентрации  в глубинных слоях океана выше, чем в поверхностных. Наблюдается  также увеличение концентрации  от довольно низких значений  в глубинных водах Северного  Ледовитого океана к более  высоким значениям в глубинных  водах Атлантического океана, к  ещё более высоким в Южном  и Индийском океанах до максимальных  В Тихом океане. Вертикальное  распределение щёлочности очень  похоже на распределение , однако  пределы изменений щёлочности  значительно меньше и составляют  примерно 30% изменений . Интересно  отметить, что поверхностные концентрации  были бы на примерно на 15% выше, если бы океаны были хорошо  перемешаны, что в свою очередь  означало бы, что концентрация  в атмосфере должна быть около  700 млн . Наличие вертикальных  градиендов (так же как и щёлочности) в океанах оказывает существенное  влияние на концентрации атмосферного .

Фотосинтез, разложение и  растворение органического вещества.

 Деятельность морской  биоты практически полностью  ограничена по-верхностными слоями  океана, где происходит интенсивный  фотосинтез в фотической зоне  и бактериальное разложение, которое  сосредоточено главным образом  также в верхнем стометровом  слое океана. По-видимому, только  около 10% первичной продукции  в виде мёртвой органики в  основном в форме фекальных  пеллет и остатков организмов  достигает более глубоких слоёв  океана, и, вероятно, около 1% этого вещества откладывается на океаническом дне. Полная первичная продуктивность океана составляет около г С/год, но скорость фотосинтеза на единицу площади значительно изменяется: от 0,5 гС/(м сутки) и более в зонах интенсивного апвеллинга до менее 10% этого значения в пустынных областях океана, которые характеризуются даунвел-лингом и недостатком питательных веществ. Фотосинтез зависит от доступного количества питательных веществ. Везде, где достаточно света, питательные вещества расходуются быстро. Отсутствие азота и фосфора чаще всего лимитирует скорость образования первичной продукции. Однако в высоких широтах, особенно в Южном океане, наличие сравнительно больших концентраций как азота, так и фосфора в поверхностных водах указывает на то, что какой-то другой фактор (вероятно, освещённость) лимитирует первичную продуктивность. В процессе образования первичной продукции, включающей как орга-нические, так и неорганические соединения углерода, концентрация уменьшается. Влияние этого процесса на щёлочность может быть различным. Каждый использованный при образовании органического вещества микромоль углерода увеличивает щёлочность примерно на 0,16 мкэкв, а когда углерод используется для образования , она уменьшается на 2 мкэкв. Таким образом, различия в пространственном распределении и щёлочности содержат информацию об относительных значениях продукции и разложения или растворения органического и неорганического вещества в океане. Несомненно, что увеличение концентрации атмосферного создаёт поток из атмосферы в океан, который в свою очередь должен был изменить доиндустриальное распределение в верхних слоях океана. Распределение в растворённом неорганическом углероде во всех океанах было получено в ходе экспедиций по программе GEOSECS в 1972-1978 годах. Оказалось, что максимальные значения концентрации в поверхностных водах океана пришлись на начало 1970-х годов. Имеется также небольшое число данных (в основном для глубинных слоёв океана) о значениях концентрации в растворённом органическом углероде. Они оказались очень низкими. Это даёт основание считать, что расворённый органический углерод в основном состоит из устойчивых соединений. Легко окисляемые вещества (такие, как сахара и белки) являются важным источником энергии.

Донные осадки океана.

 Ежегодно около г  С откладывается на дне океана, часть этих от-ложений представляет  собой органический углерод, а  другая часть - . Органический  углерод является основным источником  энергии для организмов, обитающих  на дне моря, и только малая  его часть захороняется в осадках,  исключение составляют прибрежные  зоны и шельфы. В некоторых  ограниченных областях (например, в  некоторых районах Балтийского  моря) содержание кислорода в  придонных водах может быть  очень низким, соответственно уменьшается  скорость окисления и значительные  количества органического углерода  захороняются в осадках. Области  с бескислородными условиями  увеличиваются вследствие загрязнения  прибрежных вод, и в последние  годы, вероятно, количество легко  окисляемого органического вещества  также увеличилось. Выше лизокнина  океанические воды пересыщены  по отношению к , уровень лизокнина  в Атлантическом океане расположен  на глубине 4000 м, а в Тихом  - всего лишь на глубине 1000 м.  Над лизокнином не происходит  сколько-нибудь заметного растворения  , в то время как на больших  глубинах его растворение приводит  к уменьшению выпадения в осадок, а ниже глубины карбонатной  компенсации осаждения не происходит  совсем. Так как толщина верхнего  осадочного слоя, в котором происходит  перемешивание осадков организмами,  живущими на дне океана (биотурбация), составляет примерно 10 см, значительное  количество углерода ( г) в форме  медленно обменивается с неорганическим  углеродом морской воды, главным  образом на глубине лизокнина.  Содержание изотопа в океанических  осадках довольно быстро убывает  с глубиной, что даёт возможность  определить скорость осадконакопления (она значительно изменялась со времени последнего оледенения). Тем не менее полное содержание в осадках мало по сравнению с его содержанием в ат-мосфере, биосфере и океанах.

Процессы переноса в океанах.

Вследствие буферных свойств  карбонатной системы, изменение  концен-трации растворённого суммарного неорганического углерода в морской  воде, необходимое для достижения состояния равновесия с возрастающей концентрацией атмосферного углекислого  газа, мало, и равновесное состояние  между атмосферным и растворённым в поверхностных водах устанавливается  быстро. Роль океана в глобальном углеродном цикле оп-ределяется главным образом  скоростью обмена вод в океане. Поверхностные слои океана довольно хорошо перемешаны вплоть до верхней  границы термоклина, т.е. до глубины  около 75 м в области широт примерно 45 с. - 45 ю. В более высоких широтах  зимнее охлаждение вод приводит к  перемешиванию до значительно больших  глубин, а в ограниченных областях и в течение коротких интервалов времени перемешивание вод распространяется до дна океанов (как, например, в Гренландском море и море Уэдделла). Кроме того, из областей основных течений в широтном поясе 45-55 (Гольфстрим в Северной Атлантике, Куросио в северной части Тихого океана и Антарктическое циркумполярное течение) происходит крупномасштабный перенос холодных поверхностных  вод в область главного термоклина (глубина 100-1000 м). В слое термоклина происходит также вертикальное перемешивание. Оба процесса играют важную роль при  переносе углерода в океане.

Между углекислым газом в  атмосфере и растворённым неорганическим углеродом в поверхностных слоях  морской воды равновесие устанавливается  примерно в течение года (если пренебречь сезонными изменениями). Рас-творённый  неорганический углерод переносится  вместе с водными массами из поверхностных  вод в глубинные слои океана. При  движении водной массы его содержание обычно возрастает за счёт поступления  углекислого газа при разложении и растворении детрита, опускающегося  из поверхностного слоя океана. Возникающее  в результате увеличение содержания суммарного растворённого неорганического  углерода можно вычислить, принимая во внимание сопутствующий рост содержания питательных веществ и щёлоч-ности. Однако, таким способом нельзя достаточно точно определить значения концентрации для времени, когда происходило  образование глубинных вод. Как  было отмечено ранее, стационарное распределение  в океанах обеспечивает примерный  баланс между переносом, направленным в глубину (поток детрита), и переносом, направленным к поверхности (перемешивание  и апвеллинг из глубоких слоёв  с большими концентрациями ). При  поглощении антропогенного океаном  поток растворённого неорганического  углерода из глубинных слоёв к  поверхностным уменьшается из-за повышения концентрации в поверхностных  слоях океана, но при этом направленный вниз поток детрита остаётся неизменным. Справедливость этого предположения  подтверждает тот факт, что первичная  продуктивность в поверхностном  слое океана обычно лимитируется наличием питательных веществ. Однако питательные  вещества не являются лимитирующим фактором для продуктивности в основных зонах  апвеллинга, расположенных в южной  части Антарктического циркумполярного  течения в широтном поясе 55-60 ю.ш. Это обстоятельство указыавет на то, что имеются другие факторы, лимитирующие рост фитопланктона в таких широтах: например, приходящая радиация, определяющая распространение границ морского льда в северные широты весной и ранним летом южном полушарии. При других климатических режимах факторы, лимитирующие продуктивность, могут  быть совершенно иными. Соответственно может изменяться и глобальный углеродный цикл. Авторы статьи, использованной в  качестве основы для написания данной работы, проанализировали некоторые  из этих возможных факторов и показали, что при определённых условиях в поверхностных слоях океана могут наблюдаться более низкие значения концентраций растворённого не-органического углерода по сравнению с современными, соответственно концентрации атмосферного будут также другими. Эту углеродного цикла в океане можно отметить как возможный механизм увеличения направленного вниз потока углерода в случае, если бы потепление в высоких широтах вызвало уменьшение площади морского ледяного покрова. Это механизм отрицательной обратной связи между углеродным циклом и климатической системой, т.е. повышение температуры в атмосфере должно привести к увеличению поглощения океаном и уменьшению скорости роста в атмосфере. При оценках возможных значений концентраций атмосферного в будущем обычно считают, что общая циркуляция океанов не будет изменятся. Однако несомненно, что в прошлом она менялась. Если потепление, вызванное ростом концентрации в атмосфере, будет значительным, то, вероятно, произойдёт какое-то изменение циркуляции океана. В частности, может уменьшиться интенсивность образования холодных глубинных вод, что в свою очередь может привести к уменьшению поглощения антропогенного океаном. Изменение круговорота углерода могло бы произойти также при увеличении суммарного количества питательных веществ в океане. Если наличие питательных веществ в поверхностных слоях по-прежнему будет основным фактором, лимитирующим фотосинтез, их концентрации в этих слоях должны быть очень низкими. Следовательно, должен увеличится вертикальный градиент концентрации питательных веществ между обеднёнными этими веществами поверхностными водами и глубинными слоями. В этом случае за счёт вертикального перемешивания в океане в поверхностные слои будет переноситься больше питательных веществ, что приведёт к росту интенсивности фотосинтеза, и, следовательно, увеличению потока детрита в глубинные слои океана. Вертикальный градиент концентрации также возрастёт, а поверхностные значения и парциальное давление при этом уменьшатся.Брокер проанализировал возможные механизмы, которые могли бы играть существенную роль при переходе от ледниковья к межледниковью, особенно подчеркнув роль фосфатов. Действие этих механизмов могло бы объяснить до-вольно низкие концентрации углекислого газа в атмосфере, которые имели ме-сто в конце ледниковой эпохи, и высокие концентрации в атмосфере в бо-лее тёплый период времени. Показано, что сложные вторичные механизмы мо-гут вносить свой вклад в возможные изменения концентрации атмосферного в течение ближайших 100 лет, помимо непосредственного воздействия антропогенных выбросов .

Информация о работе Человек и климат