Круговорот углерода в природе

Содержание.

 

1 Человек и климат.

2 Введение.

      Взаимосвязь между энергопотреблением, экономической деятельностью и  поступлением  в атмосферу.

      Потребление энергии и выбросы  углекислого газа.

3 Углерод в природе.

      Основные химические соединения  и реакции.

      Изотопы углерода.

4 Углерод в атмосфере.

      Атмосферный углекислый газ.

      Углерод в почве.

5 Прогнозы концентрации углекислого газа в атмосфере на будущее. Основные выводы.

6 Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Деятельность  человека достигла уже такого уровня развития, при котором её влияние  на природу приобретает глобальный характер. Природные системы - атмосфера, суша, океан, - а также жизнь на планете в целом подвергаются этим воздействиям.

Круговорот веществ происходит в биогеоценозе со времени зарождения на Земле жизни и является непременным условием её существования. Он осуществляется на всех уровнях – от молекулярного до биосферного. Складывается из отдельных процессов круговорота неорганических (вода, углерод, азот, сера, фосфор и др.) и органических (углеводы, белки и др.) веществ. В процессе круговорота происходит потеря веществ и их видоизменение. 

Все циклы круговорота веществ неразрывно связаны с превращением энергии: потенциальная энергия химических связей сложных органических молекул переходит в другие виды энергии, используемые на синтез новых соединений. Однонаправленный её поток проходит через все звенья пищевой цепи – от биомассы растений (продуценты) к животным (консументы), микроорганизмам и некоторым беспозвоночным (редуценты).

 

 

Схема круговорота  углерода в природе.

 

На каждой ступени этого пути энергия частично теряется, а затем происходит её окончательный вынос в околоземное и космическое пространство, прежде всего через процессы дыхания и теплоотдачи.

Известно, что  на протяжении последнего столетия увеличивалось  содержание в атмосфере некоторых  газовых составляющих, таких, как  двуокись углерода ( ), закись азота ( ), метан ( ) и тропосферный озон ( ). Дополнительно в атмосферу поступали и другие газы, не являющиеся естественными компонентами глобальной экосистемы. Главные из них - фторхлоруглеводороды. Эти газовые примеси поглощают и излучают радиацию и поэтому способны влиять на климат Земли. Все эти газы в совокупности можно назвать парниковыми.

Представление о том, что климат мог меняться в результате выброса в атмосферы  двуокиси углерода, появилось не сейчас. Аррениус указал на то, что сжигание ископаемого топлива могло привести к увеличению концентрации атмосферного и тем самым изменить радиационный баланс Земли. В настоящие время приблизительно известно, какое количество поступило в атмосферу за счёт сжигания ископаемого топлива и изменений в использовании земель (сведения лесов и расширения сельскохозяйственных площадей), и можно связать наблюдаемое увеличение концентрации атмосферного с деятельностью человека.

Механизм  воздействия  на климат заключается в так называемом парниковом эффекте. В то время как для солнечной коротковолновой радиации прозрачен, уходящую от земной поверхности длинноволновую радиацию этот газ поглощает и излучает поглощённую энергию по всем направлениям. Вследствие этого эффекта увеличение концентрации атмосферного приводит к нагреву поверхности Земли и нижней атмосферы. Продолжающийся рост концентрации в атмосфере может привести к изменению глобального климата, поэтому прогноз будущих концентраций углекислого газа является важной задачей.

 

 

 

Поступление углекислого  газа в атмосферу

в результате промышленных

выбросов.

Основным  антропогенным источником выбросов является сжигание всевозможных видов углеродосодержащего топлива. В настоящее время экономическое развитие обычно связывается с ростом индустриализации. Исторически сложилось, что подъём экономики зависит от наличия доступных источников энергии и количества сжигаемого ископаемого топлива. Данные о развитии экономики и энергетики для большинства стран за период 1860-1973 гг. свидетельствуют не только об экономическом росте, но и о росте энергопотребления. Тем не менее одно, не является следствием другого. Начиная с 1973 года во многих странах отмечается снижение удельных энергозатрат при росте реальных цен на энергию. Недавнее исследование промышленного использования энергии в США показало, что начиная с 1920 года отношение затрат первичной энергии к экономическому эквиваленту производимых товаров постоянно уменьшалось. Более эффективное использование энергии достигается в результате совершенствования промышленной технологии, транспортных средств и проектирования зданий. Кроме того, в ряде промышленно развитых стран произошли сдвиги в структуре экономики, выразившиеся в переходе от развития сырьевой и перерабатывающей промышленности к расширению отраслей, производящих конечный продукт.

Минимальный уровень потребления энергии  на душу населения, необходимый в  настоящее время для удовлетворения нужд медицины, образования и рекреации, значительно меняется от региона  к региону и от страны к стране. Во многих развивающихся странах  значительный рост потребления высококачественных  видов топлива на душу населения  является существенным фактором для  достижения более высокого уровня жизни. Сейчас представляется вероятным, что  продолжение экономического роста  и достижение желаемого уровня жизни  не связаны с уровнем энергопотребления  на душу населения, однако этот процесс  ещё недостаточно изучен.

Можно предположить, что до достижения середины следующего столетия экономика большинства  стран сумеет приспособиться к повышенным ценам на энергию, уменьшая потребности  в рабочей силе и в других видах  ресурсов, а также увеличивая скорость обработки и передачи информации или, возможно, изменяя структуру  экономического баланса между производством  товаров и предоставлением услуг. Таким образом, от выбора стратегии  развития энергетики с той или  иной долей использования угля или  ядерного топлива в энергетической системе будет непосредственно  зависеть скорость промышленных выбросов .

 

 

 

Потребление энергии  и выбросы

углекислого газа.

 

Энергия не производится ради самого производства энергии. В промышленно развитых странах основная часть вырабатываемой энергии приходится на промышленность, транспорт, обогрев и охлаждение зданий. Во многих недавно выполненных  исследованиях показано, что современный  уровень потребления энергии  в промышленно развитых станах может  быть существенно снижен за счёт применения энергосберегающих технологий. Было рассчитано, что если бы США перешли, при производстве товаров широкого потребления и в сфере услуг, на наименее энергоёмкие технологии при том же объёме производства, то количество поступающего в атмосферу уменьшилось бы на 25%.  Результирующее уменьшение выбросов в целом по земному шару при этом составило бы 7%.  Подобный эффект имел бы место и в других промышленно развитых странах. Дальнейшего снижения скорости поступления в атмосферу можно достичь путём изменения структуры экономики в результате внедрения более эффективных методов производства товаров и усовершенствований в сфере предоставления услуг населению.

 

 

 

Углерод в природе.

 

Среди множества  химических элементов, без которых  невозможно существование жизни  на Земле, углерод является главным. Химические превращения органических веществ связаны со способностью атома углерода образовывать длинные ковалентные цепи и кольца. Биогеохимический цикл углерода, естественно, очень сложный, так как он включает не только функционирование всех форм жизни на Земле, но и перенос неорганических веществ как между различными резервуарами углерода, так и внутри них. Основными резервуарами углерода являются атмосфера, континентальная биомасса, включая почвы, гидросферу с морской биотой и литосферой. В течение последних двух столетий в системе атмосфера - биосфера - гидросфера происходят изменения потоков углерода, интенсивность которых примерно на порядок величины превышает интенсивность геологических процессов переноса этого элемента. По этой причине следует ограничиться анализом взаимодействий в пределах этой системы, включая почвы.

 

 

 

Основные химические соединения и реакции.

 

Известно  более миллиона углеродных соединений, тысячи из которых участвуют в  биологических процессах. Атомы  углерода могут находиться в одном  из девяти возможных состояний окисления: от +IV до -IV. Наиболее распространённое явление - это полное окисление, т.е. +IV, примерами таких соединений могут служить и . Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме ( ), а в литосфере - в виде минералов. Примером состояния окисления +II является малая газовая составляющая атмосферы , которая довольно быстро окисляется до . Элементарный углерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля. Ассимиляция углерода в процессе фотосинтеза приводит к образованию восстановленного углерода, который присутствует в биоте, мёртвом органическом веществе почвы, в верхних слоях осадочных пород в виде угля, нефти и газа, захоронённых на больших глубинах, и в литосфере - в виде рассеянного недоокисленного углерода. Некоторые газообразные соединения, содержащие недоокисленный углерод , в частности метан, поступают в атмосферу при восстановлении веществ, происходящем в анаэробных процессах. Хотя при бактериальном разложении образуется несколько различных газообразных соединений, они быстро окисляются, и можно считать, что в систему поступает . Исключением является метан, поскольку он также влияет на парниковый эффект. В океанах содержится значительное количество растворённых соединений органического углерода, процессы окисления которых до известны ещё недостаточно хорошо.

 

 

 

Изотопы углерода.

 

В природе  известно семь изотопов углерода, из которых  существенную роль играют три. Два из них - и - являются стабильными, а один - - радиоактивным с периодом полураспада 5730 лет. Необходимость изучения различных изотопов углерода обусловлена тем, что скорости переноса соединений углерода и условия равновесия в химических реакциях зависят от того, какие изотопы углерода содержат эти соединения. По этой причине в природе наблюдается различное распределение стабильных изотопов углерода. Распределение же изотопа , с одной стороны, зависит от его образования в ядерных реакциях с участием нейтронов и атомов азота в атмосфере, а с другой - от радиоактивного распада.

 

 

 

 

 

Углерод в атмосфере.

 

Тщательные  измерения содержания атмосферного были начаты в 1957 году Киллингом в обсерватории Мауна-Лоа. Регулярные измерения содержания атмосферного проводятся также на ряде других станций. Из анализа наблюдений можно заключить, что годовой ход концентрации обусловлен в основном сезонными изменениями цикла фотосинтеза и деструкции растений на суше; на него также влияет, хотя и меньшей степени, годовой ход температуры поверхности океана, от которого зависит растворимость в морской воде. Третьим, и, вероятно, наименее важным фактором является годовой ход интенсивности фотосинтеза в океане. Среднее за каждый данный год содержание в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники антропогенного поступления расположены преимущественно в северном полушарии. Кроме того, наблюдаются небольшие межгодовые изменения содержания , которые, вероятно, определяются особенностями общей циркуляции атмосферы. Из имеющихся данных по изменению концентрации в атмосфере основное значение имеют данные о наблюдаемом в течение последних 25 лет регулярном росте содержания атмосферного . Более ранние измерения содержания атмосферного углекислого газа (начиная с середины прошлого века) были, как правило, недостаточно полны. Образцы воздуха отбирались без необходимой тщательности и не производилась оценка погрешности результатов. С помощью анализа состава пузырьков воздуха из ледниковых кернов стало возможным получить данные для периода с 1750 по 1960 год. Было также выявлено, что определённые путём анализа воздушных включений ледников значения концентраций атмосферного для 50-х годов хорошо согласуются с данными обсерватории Мауна-Лоа. Концентрация в течение 1750-1800 годов оказалась близкой к значению 280 млн. , после чего она стала медленно расти и к 1984 году составляла 343 1 млн. .

 

 

 

Углерод в почве.

 

По разным оценкам, суммарное содержание углерода составляет около г С. Главная неопределённость существующих оценок обусловлена недостаточной полнотой сведений о площадях и содержании углерода в торфяниках планеты.

Более медленный  процесс разложения углерода в почвах холодных климатических зон приводит к большей концентрации углерода почв (на единицу поверхности) в бореальных лесах и травянистых сообществах  средних широт по сравнению с  тропическими экосистемами. Однако только небольшое количество (несколько  процентов или даже меньше) детрита, поступающего ежегодно в резервуар  почв, остаётся в них в течение  длительного времени. Большая часть  мёртвого органического вещества окисляется до за несколько лет. В чернозёмах около 98% углерода подстилки характеризуется временем оборота около 5 месяцев, а 2% углерода подстилки остаются в почве в среднем в течение 500-1000 лет. Эта характерная черта почвообразовательного процесса проявляется также в том, что возраст почв в средних широтах, определяемый радиоизотопным методом, составляет от нескольких сотен до тысячи лет и более. Однако скорость разложения органического вещества при трансформации земель, занятых естественной растительностью, в сельскохозяйственные угодья совершенно другая. Например, высказывается мнение, что 50% органического углерода в почвах, используемых в сельском хозяйстве Северной Америки, могло быть потеряно вследствие окисления, так как эти почвы начали эксплуатироваться до начала прошлого века или в самом его начале.

 

 

 

Изменения содержания углерода в

континентальных экосистемах.

 

За последние 200 лет произошли значительные изменения  в континентальных экосистемах  в результате возрастающего антропогенного воздействия. Когда земли, занятые лесами и травянистыми сообществами, превращаются в сельскохозяйственные угодья, органическое вещество, т.е. живое вещество растений и мёртвое органическое вещество почв, окисляется и поступает в атмосферу в форме . Какое-то количество элементарного углерода может также захораниваться в почве в виде древесного угля (как продукт, оставшийся от сжигания леса) и, таким образом, изыматься из быстрого оборота в углеродном цикле. Содержание углерода в различных компонентах экосистем изменяется, поскольку восстановление и деструкция органического вещества зависят от географической широты и типа растительности.

Были проведены  многочисленные исследования, имевшие  своей целью разрешить существующую неопределённость в оценке изменений  запасов углерода в континентальных  экосистемах. Основываясь на данных этих исследований, можно прийти к  выводу о том, что поступление  в атмосферу с 1860 по 1980 год составило г С и что в 1980 году биотический выброс углерода был равен г С/год. Кроме того, возможно влияние возрастающих атмосферных концентраций и выбросов загрязняющих веществ, таких, как и , на интенсивность фотосинтеза и деструкции органического вещества континентальных экосистем. По-видимому, интенсивность фотосинтеза растёт с увеличением концентрации в атмосфере. Наиболее вероятно, что этот рост характерен для сельскохозяйственных культур, а в естественных континентальных экосистемах повышение эффективности использования воды могло бы привести к ускорению образования органического вещества.