Игорь Кароль - Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?
Рис. 12. Схема строения и состава атмосферы. Кривая – вертикальный профиль температуры стандартной атмосферы (средних широт); в скобках – длины волн интервалов поглощения радиации (1 мкм = 1 ·10-6 м)
Рис. 13. Спектр пропускания атмосферы Земли в оптической и инфракрасной областях. Отмечены полосы поглощения кислорода (O2) (ультрафиолет), водяного пара (H2O), углекислого газа (CO2) и озона (О3) (инфракрасная область)
«Малые» потому, что 78 % воздуха составляет азот, еще 21 % – кислород, а следовательно, на все остальные компоненты, в том числе и вышеперечисленные, остается всего около 1 %. Однако недаром говорят: «Мал золотник, да дорог». Самое время познакомиться с некоторыми из наших героев.
«Первый парень на деревне»: углекислый газ
Наука дышит лишь одним воздухом – кислородом фактов. Новые исследовательские методы – это те деревья, что очищают ее атмосферу от углекислоты неточных выводов и насыщают ее кислородом впервые открытых, увиденных и понятых явлений.
В. В. Парин, советский физиолог, академик АН СССР и АМН СССРКаждый вдыхает кислород, а выдохнуть норовит всякую гадость!
Из миниатюры А. И. РайкинаВ конце 1970-х гг. в адрес ЦК КПСС пришло письмо от учительницы физики одной из станиц Краснодарского края. Оно начиналось словами: «Недавно довелось прочитать…». Как вы думаете, какая информация настолько поразила педагога, что она поспешила обратиться, по сути, в высшую инстанцию на шестой части суши? А информация эта была по поводу… массы кислорода, содержащегося в атмосфере. Увидев соответствующее массе число – около 1015 т, автор письма вооружилась медицинским справочником, из которого извлекла величину еще одной массы кислорода – на сей раз вдыхаемого взрослым человеком в течение одних суток. Умножив последнюю на количество жителей планеты, она получила суточную потребность в кислороде населения Земли. Заключительным аккордом вычислений стало деление общей массы атмосферного кислорода на только что найденную суточную потребность. И тут (о, ужас!) выяснилось, что кислорода «осталось» всего-навсего на 50 лет! Именно об этой надвигающейся катастрофе бдительная учительница и поставила в известность высший партийный орган, сопроводив информацию настоятельной просьбой принять незамедлительные меры. В соответствии с заведенной тогда процедурой, письмо было переадресовано в научную организацию, занимающуюся изучением атмосферы, с требованием дать оперативный исчерпывающий ответ на тревожный сигнал «из глубинки». Так письмо оказалось в наших руках.
Успокоить встревоженную женщину не составило большого труда: достаточно было лишь напомнить, что с расходом кислорода и образованием углекислого газа при дыхании людей и животных конкурирует не менее эффективный процесс фотосинтеза в растениях, в результате которого молекулы углекислого газа оказываются связанными водой и образуются кислород и ряд сложных органических молекул. В упрощенном виде сказанное можно записать следующим образом:
настоящее время доминирующую роль в поддержании определенной концентрации кислорода в атмосфере играют доступность и высокая скорость реакций с органическим материалом углекислого газа (CO2), а значит, самим фактом существования люди обязаны наличию именно его в атмосфере. Однако подаривший нам жизнь «благодетель» в последнее время ее и серьезно осложняет.
Как уже говорилось, CO2 – важнейший парниковый газ. На нем, по современным оценкам, лежит примерно 60 % ответственности за усиление парникового эффекта (рис. 14).
Рис. 14. Модель молекулы углекислого газа (слева); сухой лед – углекислый газ в твердом виде (справа)
Его главная полоса поглощения приходится на длину волны λ = 15 мкм. Интересно, что именно на этой же длине волны находится и максимум интенсивности излучения поверхности Земли при вышеупомянутой среднегодовой среднеглобальной температуре поверхности 14 °C. Это обстоятельство еще более повышает значимость CO2 в парниковом эффекте. Это ли не повод поговорить о нем.
Углеродный цикл – один из основных природных циклов как на Земле, так и во Вселенной, в частности, углекислый газ обнаружен в составе атмосферы Марса и Венеры. Основной запас углерода сосредоточен в недрах Земли, и лишь небольшая его доля («обменный резервуар») участвует в обмене с другими геосферами. Схема цикла углерода на Земле представлена на рис. 11 цв. вклейки.
На ранних стадиях формирования нашей планеты CO2 образовывался в результате процессов окисления как естественный компонент атмосферного воздуха. Позже бо́льшая часть изначального количества CO2 в форме известняка CaCO3 и других карбонатов (солей угольной кислоты) была захвачена литосферой.
И в современную эпоху львиная доля поступающего в атмосферу углекислого газа имеет естественное происхождение, а вклад человека (при сжигании им углеродосодержащих веществ – топлива) во второй половине 1970-х гг. оценивался всего лишь в 4 %.
Атмосферный резервуар углекислого газа во многом определяется биосферой суши с короткоживущей (трава и листва деревьев) и долгоживущей (гумус почвы) составляющими. В целом, по весьма приблизительным оценкам, перегнивание органического материала обусловливает ежегодный выброс 220 миллиардов тонн углекислого газа, еще 330 миллиардов тонн дает океан, вклад вулканов составляет 130–230 миллионов тонн CO2.
Главный атмосферный источник CO2 – дыхание растений (в основном ночью). Снижение же его концентрации происходит в результате фотосинтеза в зеленых частях растений (днем). Поэтому в областях с богатой растительностью (в лесах) максимальная концентрация CO2 бывает рано утром и в конце зимы, а минимальная – в конце дня летом и осенью. При этом отклонение от среднего ее значения (амплитуда колебаний) составляет 10–15 %. Значительный источник CO2 в атмосфере – гниение растительности (в частности, опавших листьев) и других органических остатков составляющих углеродного цикла. Таким образом, в лесах, неспроста называемых «легкими планеты», углекислый газ не только разрушается, но и образуется.
Вклад в продукцию CO2, наряду с сезонным листопадом, вносят процессы старения и деградации лесных массивов, болезни растений, а также выгорание лесов в результате пожаров. Следовательно, бесперебойность «дыхания» планеты напрямую зависит от состояния ее «зеленого моря» (неслучайно 2011 г. был объявлен ООН Международным годом защиты лесов). В первую очередь это относится к вечнозеленым тропическим и субтропическим лесам, однако и вклад растительности России также достаточно весом (приблизительно 20–30 %).
Важную роль в углеродном цикле играют болота и зоны вечной мерзлоты, которые аккумулируют углерод в торфе и мерзлом грунте, но высвобождают CO2 при осушении болот и таянии мерзлоты. Нельзя не упомянуть о других «носителях» углерода. Среди несметного их числа выделим метан (о нем наш рассказ впереди) и монооксид углерода СО (угарный газ). Антропогенные выбросы СО примерно в 1,5 раза превосходят его естественную эмиссию, при этом около 60–80 % такого угарного газа обусловлены автомобильным транспортом. Как метан, так и монооксид углерода, вступая в химические реакции с OH-радикалами, окисляются в атмосфере до CO2.
Сам же углекислый газ химически малоактивен, лишь в стратосфере его молекулы разрушаются под действием ультрафиолетового излучения, но процесс этот протекает настолько вяло, что им обычно пренебрегают. Последнее обстоятельство решающим образом определяет характерное время пребывания молекулы CO2 в атмосфере («время жизни»): по современным оценкам, оно близко к ста годам.
Океанический резервуар CO2 пополняется при растворении углекислого газа в воде с образованием угольной кислоты и продуктов ее диссоциации (распада). Растворимость CO2 в воде увеличивается с уменьшением ее температуры и, наоборот, падает с ее увеличением (наглядный тому пример – появление пузырьков газа на стенках стакана с газированной водой при ее согревании – знаком, несомненно, каждому). Поэтому на зиму углекислый газ «отправляется погостить» из атмосферы в океан через холодные моря и реки Севера и возвращается в атмосферу летом из теплых вод и южных рек. Много углекислого газа выбрасывает Тихий океан при явлениях Эль-Ниньо. Растворимость CO2 зависит также от состава воды и от уровня ее кислотности (pH). Часть оказавшегося в морской воде углерода связывается, образуя соли угольной и серной кислот, и в последующем участвует в гидрохимических преобразованиях. В морской воде мелкие и мельчайшие водоросли (фитопланктон) поглощают растворенный CO2 в процессе фотосинтеза, затем по пищевым цепочкам углерод переходит в зоопланктон и в организмы морских животных, а в дальнейшем выпадает на дно океана с их отмершими частями и продуктами жизнедеятельности. Молекулы карбоната кальция (CaCO3) из донных отложений при некоторых условиях могут снова переходить в воду и участвовать в гидрохимических процессах. Кроме того, карбонатные породы литосферы при выветривании горных пород способны растворяться в воде, создавая значительный по величине потенциальный источник CO2, замыкая круговорот углерода в природе.
