17.2A: Цикл вуглецю

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5768

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Концентрація вуглецю в живій речовині (18%) майже в 100 разів перевищує його концентрацію в землі (0,19%). Так живі істоти видобувають вуглець зі свого неживого середовища. Щоб життя продовжувалося, цей вуглець повинен бути перероблений. Вуглець існує в неживому середовищі як:

вуглекислий газ (СО ₂) в атмосфері і розчинений у воді (утворюючи HCO ₃ ⁻)
карбонатні породи (вапняк і корал = CaCo ₃)
родовища вугілля, нафти та природного газу, отриманих з колись живих істот
відмерлі органічні речовини, наприклад, перегній в грунті

Вуглець потрапляє в біотичний світ завдяки дії в першу чергу фотоавтотрофів, таких як рослини та водорості, які використовують енергію світла для перетворення вуглекислого газу в органічну речовину і в невеликій мірі хемоавтотрофи - бактерії та археї, які роблять те ж саме, але використовують енергію, отриману від окислення молекул в їх субстраті. Вуглець повертається в атмосферу та воду диханням (як СО ₂), спалюванням та розпадом (виробляючи СО ₂, якщо присутній кисень, метан (CH ₄), якщо його немає.

Поглинання та повернення CO ₂ не знаходяться в балансі

Вміст вуглекислого газу в атмосфері поступово і неухильно зростає. Графік показує концентрацію CO ₂ на саміті Мауна-Лоа на Гаваях з 1958 по 1999 рік. Значення вказані частинами на мільйон (проміле). Сезонні коливання викликані підвищеним поглинанням CO ₂ рослинами влітку. (У березні 2015 року його середня світова концентрація досягла 400 ppm.)

Збільшення CO ₂, ймовірно, почалося з початком промислової революції. Зразки повітря, що потрапили протягом століть у льодовикові льоди Гренландії, не показують змін вмісту CO ₂ до 300 років тому. Оскільки вимірювання атмосферного CO ₂ почалися наприкінці дев'ятнадцятого століття, його концентрація зросла понад 20%. Це збільшення, безумовно, є «антропогенним»; тобто викликане діяльністю людини:

спалювання викопного палива (вугілля, нафта, природний газ), яке повертає в атмосферу вуглець, який був заблокований всередині землі протягом мільйонів років.
розчищення і спалювання лісів, особливо в тропіках. В останні десятиліття великі площі тропічних лісів Амазонки були очищені для сільського господарства та випасу великої рогатої худоби.

Де відсутній вуглець?

Цікаво, що збільшення атмосферного CO ₂ становить лише приблизно половину того, що очікувалося б від кількості споживання викопного палива та спалювання лісу. Куди поділася решта? Дослідження показали, що підвищення рівня CO ₂ призводить до збільшення чистого виробництва фотоавтотрофами. Є докази того, що принаймні частина відсутніх CO ₂ була включена: (1) збільшення зростання лісів, особливо в Північній Америці, (2) збільшення кількості фотоавтотрофного планктону в океанах та (3) поглинання пустельними ґрунтами (механізм поки невідомий)

Парниковий ефект та глобальне потепління

Незважаючи на ці «раковини» для нашого значно збільшеного виробництва CO ₂, концентрація атмосферного CO ₂ продовжує зростати? Чи варто хвилюватися? Вуглекислий газ прозорий до світла, але досить непрозорий для теплових променів. Тому СО ₂ в атмосфері затримує випромінювання тепла від землі назад в космос - «парниковий ефект». Чи призвело збільшення вуглекислого газу до глобального потепління?

Деякі докази:

Ретельний моніторинг показує, що глобальна температура повітря в 2014 році була на 0,57° C вище, ніж середня з 1961—1990 років, і що 14 з 15 найтепліших років з моменту початку запису були збережені в кінці 19 століття відбулися в цьому столітті (включаючи 2005 і 2010, а також 2014).
Багато льодовиків і крижаних покривів відступають.
Деревні чагарники зараз ростуть в районах північної Аляски, які 50 років тому були безплідною тундрою.
Багато покритонасінні в помірному кліматі цвітуть навесні раніше, ніж раніше.
Багато видів птахів і метеликів рухаються на північ і розмножуються раніше навесні.

Чи призведе постійне збільшення вуглекислого газу до більшого глобального потепління і, якщо так, то скільки? На цьому етапі відповідь залежить від того, які припущення ви підключаєте до своїх комп'ютерних моделей. Але оскільки різні моделі були вдосконалені, вони, здається, сходяться на консенсусі: подвоєння концентрації CO ₂ (очікується до кінця цього століття) призведе до того, що земля нагріється десь в діапазоні 1,1-6,4° C.

Інші парникові гази

Хоча їх рівні в атмосфері значно нижчі, ніж у СО ₂,

метан (СН ₄)
закис азоту (N ₂ O)
гідрофторуглероди (ГФУ)

також є сильнодіючими парниковими газами.

Метан

Хоча метан («болотний газ») виділяється природними процесами (наприклад, від гниття, що відбувається на болотах), діяльність людини зараз становить близько 60% від загальної кількості.

видобуток, переробка та використання вугілля, нафти та природного газу
вивільнення зі звалищ
вирощування рису в падіньях
палаючі ліси
вирощування великої рогатої худоби (бродіння в їх рубцях виробляє метан, який виганяється з їх шлунково-кишкового тракту)

Тож спалювання тропічного дощового лісу додає до бюджету атмосферного метану двома способами:

неповне згоряння при горінні
звільнення з шлунково-кишкового тракту великої рогатої худоби, які згодом поміщаються на очищену землю.

Концентрація метану в арктичному повітрі в даний час становить близько 1,9 частини на мільйон, найвищий рівень, який спостерігався, такі вимірювання почалися. Хоча ця концентрація набагато менша, ніж у CO ₂, метан у 28 разів потужніший парниковий газ. Вважається, що помітне потепління землі, яке відбулося наприкінці палеоценової епохи, було викликано викидом великої кількості метану з морського дна.