--PAGE_BREAK--3.3 Вміст ізотопу
С
в атмосферному вуглекислому газі
Кількість ізотопу на Землі залежить від балансу між утворенням під впливом космічного випромінювання і його радіоактивним розпадом. Мабуть, до початку сільськогосподарської і промислової революції розподіл ізотопу в різних резервуарах вуглецю зберігався приблизно незмінним. До початку помітних змін, викликаних викидами при випробуваннях ядерної зброї, з початку минулого століття до його середини відбувалося зменшення змісту . Воно було головним чином викликано викидом за рахунок спалювання викопного палива, в якому не міститься радіоактивний ізотоп . Це привело до зменшення вмісту в атмосфері. Починаючи з першими випробуваннями ядерної зброї в 1952 і 1954 роках спостерігалися істотні зміни вмісту в атмосферному вуглекислому газі. Велике надходження в атмосферу відбулося в результаті ядерних випробувань, проведених США в Тихому океані в 1958 році і СРСР в 1961-1962 роках. Після цього викиди були помітно обмежені. Спочатку велика частина радіоактивних продуктів переносилася в стратосферу. Оскільки час обміну між стратосферою і атмосферою складає декілька років, те зменшення концентрації ізотопу в тропосфері, обумовлене взаємодією з континентальною біотою і океанами, починаючи з 1965 роком відбувалося не так швидко за рахунок надходження цього ізотопу з стратосфери.
3.4 Перемішування в атмосфері
Перемішування повітря в тропосфері відбувається досить швидко. Пасати в середніх широтах в обох півкулях огинають Землю в середньому приблизно за один місяць, вертикальне переміщення між земною поверхнею і тропопаузой (на висоті від 12 до 16 км) також відбувається протягом місяця, перемішування в напрямі з півночі на південь в межах півкулі відбувається приблизно за три місяці, а ефективний обмін між двома півкулями здійснюється приблизно за рік. Оскільки в даній роботі розглядаються процеси, зміни яких відбуваються за час порядку декількох років, десятиріч і сторіч, можна вважати, що тропосфера у будь-який момент часу добре перемішана. Це припущення засновано на тому, що середні річні значення концентрації для високих північних і високих південних широт відрізняються тільки на 1,5-2,0 млн.В північній півкулі концентрація вище, ніж в південному. Відмінність концентрацій в північному і південному півкулях, ймовірно, викликано тим, що біля 90% джерел промислових викидів розташоване в північній півкулі. За останні десятиріччя ця різниця збільшилася, оскільки споживання викопного палива також зросло.
Обмін між стратосферою і тропосферою відбувається значно повільніше, ніж в тропосфері, тому сезонні коливання концентрації атмосферного вуглекислого газу вище тропопаузи швидко зменшуються. В стратосфері зростання концентрації значно запізнюється в порівнянні з її зростанням в тропосфері. Так, згідно вимірюванням, концентрації на висоті 36 км приблизно на 7 млнменше ніж на рівні тропопаузи (тобто на висоті 15 км). Це відповідає часу перемішування між стратосферою і тропосферою, рівному 5-8 рокам.
4 Газообмін в системі атмосфера — океан
4.1 Швидкість газообміну
В стаціонарному стані, що існував в доіндустріальний час, більш 90% ізотопу, що міститься на Землі, знаходилося в морській воді і донних відкладеннях (вміст в останніх складає всього декілька відсотків). Існував зразковий баланс між перенесенням з атмосфери в океан і радіоактивним розпадом усередині океану. Середній глобальний обмін між атмосферою і океаном можна визначити шляхом вимірювання різниці вмісту у вуглекислому газі атмосфери і розчиненому в поверхневому шарі океану. Дані спостережень за зменшенням концентрації в атмосфері і її збільшенням в поверхневих водах океану після проведення випробувань ядерної зброї дають ще одну можливість визначити швидкість газообміну. Третій спосіб оцінки швидкості газообміну між атмосферою і океаном полягає у вимірюванні відхилення від стану рівноваги між і, обумовленого надходженням з океану в атмосферу. Середня швидкість газообміну між атмосферою і океаном при концентрації в атмосфері 300 млн, одержана на основі цих трьох способів, рівна 185 міль/(мгод). Це означає, що середній час перебування в атмосфері рівний 8,52 років. Швидкість газообміну на межі розподілу між атмосферою і океаном залежить від стану поверхні океану, від швидкості вітру і хвилювання.
4.2 Буферні властивості карбонатної системи
1. При розчиненні в морській воді відбувається реакція гідратації з утворенням вугільної кислоти, яка у свою чергу дисоціює на іони . Карбонатна система визначається сумарною концентрацією розчиненого неорганічного вуглецю (); повним вмістом боратів(В); лужним резервом (А); кислотністю (Розчинність в морській воді і відповідно концентрація сумарного вуглецю, що знаходиться в рівновазі з атмосферною при заданому значенні концентрації останнього, залежать від температури).
2. Обмін між газовою фазою і розчином залежить від так званого буферного чинника, який також називають чинником Ревелла.
Розчинність і буферний чинник збільшуються при зниженні температури. Оскільки зміна парціального тиску вуглекислого газу в напрямі від полюса до екватора невелика, в середньому переноситься з атмосфери в океан у високих широтах і в протилежному напрямі в низьких, хоча спостерігаються відхилення від цієї спрощеної картини унаслідок того, що в результаті апвеллінга з глибинних шарів океану до поверхні приносяться збагачені вуглекислим газом води. Буферний чинник має величину порядка 10 і збільшується із зростанням значень . Це означає, що чутливе до досить малих змін у воді. При збереженні рівноваги в системі атмосфера — поверхневі води океану зміна концентрації в атмосфері приблизно на 25% протягом останні 100 років викличе зміну вмісту сумарного неорганічного вуглецю в поверхневих водах тільки на 2-2,5%. Таким чином, здатність океану поглинати надмірний атмосферний в 10 разів менше тій, яку можна б було чекати виходячи з порівняння розмірів природних резервуарів вуглецю.
5
Вуглець в морській воді
5.1 Повний вміст вуглецю і лужність
Як показали дослідження, вміст сумарного неорганічного вуглецю в океані в 1983 році більш, ніж в 50 разів перевищувало вміст в атмосфері. Крім того, в океані знаходяться значні кількості розчиненого органічного вуглецю. Вертикальний розподіл не є однорідним, його концентрації в глибинних шарах океану вище, ніж в поверхневих. Спостерігається також збільшення концентрації від досить низьких значень в глибинних водах Північного Льодовитого океану до більш високих значень в глибинних водах Атлантичного океану, до ще більш високим в Південному і Індійському океанах до максимальних в Тихому океані. Вертикальний розподіл лужності дуже схоже на розподіл, проте межі змін лужності значно менше і складають приблизно 30% змін . Цікаво відзначити, що поверхневі концентрації були б на приблизно на 15% вище, якби океани були добре перемішані, що у свою чергу означало б, що концентрація в атмосфері повинна бути близько 700 млн. Наявність вертикальних градієнтів (так само як і лужності) в океанах робить істотний вплив на концентрації атмосферного .
5.2 Фотосинтез, розкладання і розчинення органічної речовини
Діяльність морської біоти практично повністю обмежена поверхневими шарами океану, де відбувається інтенсивний фотосинтез у фотичній зоні і бактеріальне розкладання, яке зосереджене головним чином також у верхньому стометровому шарі океану. Мабуть, тільки біля 10% первинної продукції у вигляді мертвої органіки в основному у формі фекальних пелет і залишків організмів досягає більш глибоких шарів океану, і, ймовірно, біля 1% цієї речовини відкладається на океанічному дні. Повна первинна продуктивність океану складає біля г С/год, але швидкість фотосинтезу на одиницю площі значно змінюється: від 0,5 г
С/(мсутки)і більш в зонах інтенсивного апвелінгадо менш 10% цього значення в пустинних областях океану, які характеризуються даунвелінгомі недоліком поживних речовин. Фотосинтез залежить від доступної кількості поживних речовин. Скрізь, де достатньо світла, поживні речовини витрачаються швидко. Відсутність азоту і фосфору частіше за все лімітує швидкість утворення первинної продукції. Проте у високих широтах, особливо в Південному океані, наявність порівняльно великих концентрацій як азоту, так і фосфору в поверхневих водах вказує на те, що якийсь інший чинник (ймовірно, освітленість) лімітує первинну продуктивність.
В процесі утворення первинної продукції, що включає як органічні, так і неорганічні сполуки вуглецю, концентрація зменшується. Вплив цього процесу на лужністьможе бути різним. Кожний використаний при утворенні органічної речовини мікроміль вуглецю збільшує лужність приблизно на 0,16 мкекв, а коли вуглець використовується для утворення , вона зменшується на 2 мкекв. Таким чином, відмінності в просторовому розподілі і лужності містять інформацію про відносні значення продукції і розкладання або розчинення органічної і неорганічної речовини в океані. Поза сумнівом, що збільшення концентрації атмосферного створює потік з атмосфери в океан, який у свою чергу повинен був змінити доіндустріальний розподіл у верхніх шарах океану.
5.3 С
в океані
Розподіл в розчиненому неорганічному вуглеці у всіх океанах був одержаний в ході експедицій за програмою GEOSECS в 1972-1978 роках. Виявилося, що максимальні значення концентрації в поверхневих водах океану припали на початок 1970-х років. Є також невелике число даних (в основному для глибинних шарів океану) про значення концентрації в розчиненому органічному вуглеці. Вони виявилися дуже низькими. Це дає підставу вважати, що органічний вуглець в основному складається із стійких з’єднань. Речовини (такі, як цукор і білки), що легко окисляються, є важливим джерелом енергії.
5.4 Донні осідання океану
Щорічно біля г Свідкладається на дні океану, частина цих відкладень є органічним вуглецем, а інша частина — . Органічний вуглець є основним джерелом енергії для організмів, що мешкають на дні моря, і лише мала його частина зберігається в осіданнях, виняток становлять прибережні зони і шельфи. В деяких обмежених областях (наприклад, в деяких районах Балтійського моря) вміст кисню в придонних водах може бути дуже низьким, відповідно зменшується швидкість окислення і значні кількості органічного вуглецю осяідають. Області з безкисневими умовами збільшуються внаслідок забруднення прибережних вод, і останніми роками, ймовірно, кількість органічної речовини, що легко окислюється, також збільшилася. Вище лізокнина океанічні води пересичені по відношенню до, рівень лізокнина в Атлантичному океані розташований на глибині 4000 м, а в Тихому — всього лише на глибині 1000 м. Над лізокнином не відбувається ніякого помітного розчинення, тоді як на великих глибинах його розчинення приводить до зменшення випадання в осад, а нижче за глибину карбонатної компенсації осадження не відбувається зовсім. Оскільки товщина верхнього осадового шару, в якому відбувається перемішування опадів організмами, що живуть на дні океану (біотурбація), складає приблизно 10 см, Вміст ізотопу в океанічних осіданнях досить швидко зменшується з глибиною, що дає можливість визначити швидкість осадонакопичення (вона значно змінювалася з часу останнього заледеніння). Проте повний вміст в осіданнях малий в порівнянні з його вмістом в атмосфері, біосфері і океанах.
5.5 Процеси перенесення в океанах
Унаслідок буферних властивостей карбонатної системи, зміна концентрації розчиненого сумарного неорганічного вуглецю в морській воді, необхідне для досягнення стану рівноваги з зростаючою концентрацією атмосферного вуглекислого газу, мало, і рівноважний стан між атмосферним і розчиненим в поверхневих водах встановлюється швидко. Роль океану в глобальному вуглецевому циклі визначається головним чином швидкістю обміну вод в океані.
Поверхневі шари океану досить добре перемішані аж до верхньої межі термокліна, тобто до глибини близько 75 м в області широт приблизно 45с. — 45ю. В більш високих широтах зимове охолоджування вод приводить до перемішування до значно великих глибин, а в обмежених областях і протягом коротких інтервалів часу перемішування вод розповсюджується до дна океанів (як, наприклад, в Гренландському морі і морі Уедделла). Крім того, з областей основних течій в широтному поясі 45-55 (Гольфстрім в Північній Атлантиці, Куросіо в північній частині Тихого океану і Антарктична течія) відбувається великомасштабне перенесення холодних поверхневих вод в область головного термокліна(глибина 100-1000 м). В шарі термоклінавідбувається також вертикальне перемішування. Обидва процеси грають важливу роль при перенесенні вуглецю в океані.
Між вуглекислим газом в атмосфері і розчиненим неорганічним вуглецем в поверхневих шарах морської води рівновага встановлюється приблизно протягом року (якщо нехтувати сезонними змінами). Розчинений неорганічний вуглець переноситься разом з водними масами з поверхневих вод в глибинні шари океану. При русі водної маси його вміст звичайно зростає за рахунок надходження вуглекислого газу при розкладанні і розчиненні детриту, що опускається з поверхневого шару океану. Виникаюче в результаті збільшення вмісту сумарного розчиненого неорганічного вуглецю можна обчислити, беручи до уваги супутнє зростання вмісту поживних речовин і лужності. Проте, у такий спосіб не можна достатньо точно визначити значення концентрації для часу, коли відбувалося утворення глибинних вод. Як було відзначено раніше, стаціонарний розподіл в океанах забезпечує зразковий баланс між перенесенням, направленим в глибину (потік детриту), і перенесенням, направленим до поверхні (перемішування і апвелінгз глибоких шарів з великими концентраціями ). При поглинанні антропогенного океаном потік розчиненого неорганічного вуглецю з глибинних шарів до поверхневих зменшується через підвищення концентрації в поверхневих Автори статті, використаної як основа для написання даної роботи, проаналізували деякі з цих можливих чинників і показали, що за певних умов в поверхневих шарах океану можуть спостерігатися більш низькі значення концентрацій розчиненого неорганічного вуглецю в порівнянні з сучасними, відповідно концентрації атмосферного будуть також іншими. Цю вуглецевого циклу в океані можна відзначити як можливий механізм збільшення направленого вниз потоку вуглецю у випадку, якщо б потепління у високих широтах викликало зменшення площі морського крижаного покриву. Це механізм негативного зворотного зв’язку між вуглецевим циклом і кліматичною системою, тобто підвищення температури в атмосфері повинне привести до збільшення поглинання океаном і зменшенню швидкості росту в атмосфері.
При оцінках можливих значень концентрацій атмосферного в майбутньому звичайно рахують, що загальна циркуляція океанів не буде змінюється. Проте безперечно, що у минулому вона мінялася. Якщо потепління, викликане зростанням концентрації в атмосфері, буде значним, то, ймовірно, відбудеться якась зміна циркуляції океану. Зокрема, може зменшитися інтенсивність утворення холодних глибинних вод, що у свою чергу може привести до зменшення поглинання антропогенного океаном.
Зміна кругообігу вуглецю могла б відбутися також при збільшенні сумарної кількості поживних речовин в океані. Якщо наявність поживних речовин в поверхневих шарах як і раніше буде основним чинником, лімітуючим фотосинтез, їх концентрації в цих шарах повинні бути дуже низькими. Отже, повинен збільшиться вертикальний градієнт концентрації поживних речовин між збідненими цими речовинами поверхневими водами і глибинними шарами. В цьому випадку за рахунок вертикального перемішування в океані в поверхневі шари переноситиметься більше поживних речовин, що приведе до зростання інтенсивності фотосинтезу, і, отже, збільшенню потоку детриту в глибинні шари океану. Вертикальний градієнт концентрації також зросте, а поверхневі значення і парціальний тиск при цьому зменшаться.
Брокер проаналізував можливі механізми, які могли б грати істотну роль при переході від льодового періоду до міжльодового, особливо підкресливши роль фосфатів. Дія цих механізмів могла б пояснити досить низькі концентрації вуглекислого газу в атмосфері, які мали місце в кінці льодовикової епохи, і високі концентрації в атмосфері в більш теплий період часу. Показано, що складні вторинні механізми можуть вносити свій внесок в можливі зміни концентрації атмосферного протягом найближчі 100 років, крім безпосередньої дії антропогенних викидів .
Як вуглець, так і фосфор поступають в океан з річковим стоком. Потік вуглецю складає біля г С/год але може збільшиться через інтенсифікацію сільськогосподарської діяльності і лісокористування. Оскільки цикли вуглецю і фосфору взаємозв’язані, корисно оцінити зростання споживання фосфору як добрива в сільському господарстві і промисловості. Річне добування фосфору в 1972 році складало р. І надалі значно зросло. У водні системи (озера, річки, морити) поступає не більш 50% фосфору, а можливо, і значно менше, оскільки частина фосфору, використаного як добрива на полях і в лісах, залишається в грунтах.
Для грубої оцінки можливого зростання первинної продуктивності у водних системах можна вважати, що в процесі фотосинтезу використовується 20-50 % наявної кількості фосфатів і що освічена таким чином органічна речовина стає частиною вуглецевого циклу в океані або залишається у відкладеннях. Така зміна продуктивності приведе до видалення з атмосфери і поверхневих шарів водних систем р. С/рік. Ця кількість відповідає 2-6 % річного викиду вуглецю в атмосферу за рахунок спалювання викопного палива в 1972 році, тому даний процес не можна не враховувати при побудові моделей зміни глобального клімату.
продолжение
--PAGE_BREAK--