Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?

Кароль Игорь

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 большая 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.

Обратите внимание, что наш рассказ об углекислом газе почти не содержит количественных оценок, характеризующих обсуждаемые процессы, и тем более – их взаимосвязь. Это, безусловно, не случайность, а отражение уровня современных знаний об углеродном цикле. Проблемы, возникающие при его изучении, те же, что и при исследовании климатической системы в целом. О них мы говорили выше, и повторяться нет особого смысла. Однако к тому, чтобы численно охарактеризовать изменения концентрации CO₂ в воздухе, нет никаких препятствий.

На рис. 15 и 16 видно, как изменялась концентрация CO₂ в различные эпохи истории Земли (на врезке – за последнее тысячелетие) и за последние 50 лет. Важно отметить, что за четыре последних ледниковых и межледниковых периода она не превосходила 300 ppm (англ. рarts per million, или «частей на миллион», т. е. молекул CO₂ на миллион молекул воздуха), а именно: 270–290 ppm в межледниковые и 190–200 ppm в ледниковые периоды.

В настоящее время средняя по земному шару концентрация CO₂ достигает 392 ppm, а в доиндустриальный период она находилась на уровне межледниковой (около 280 ppm) и была почти на треть ниже современной.

Концентрация эта, вследствие химической пассивности CO₂, почти не зависит ни от географических координат точки на земном шаре, ни от высотного уровня. Поэтому в большинстве исследований она принимается одинаковой во всей атмосфере Земли.

Рис. 15. Изменения концентрации углекислого газа в палеоэпохи

Даже беглого взгляда на рис. 15 достаточно, чтобы отметить ускоренный рост концентрации CO₂, за последние 50 лет: ежегодно в среднем на 1 ppm или приблизительно на 0,3 % в год в 1960–1980-х гг., а с конца 2000-х – до 2,2 ppm или 0,6 %. Считается, что небывалый рост связан с интенсификацией антропогенной деятельности, хотя существуют и другие версии. Согласно имеющимся версиям, подобное можно объяснить:

а) уменьшением содержания углекислого газа в поверхностных водах или уменьшением поглощения CO₂ поверхностью океана (например, из-за увеличения температуры);

б) вызванным чем-то ускорением окисления отмершей растительности;

в) вызванным чем-то сокращением скорости фотосинтеза или усилением дыхания растений;

г) увеличением масштабов окисления углерода из-за сжигания человеком углеродсодержащего топлива.

Рис. 16. Изменения концентрации углекислого газа за последние 50 лет