Углеродный цикл и изменения климата
Страница 4
Обмен между стратосферой и тропосферой происходит значительно медленнее, чем в тропосфере, поэтому сезонные колебания концентрации атмосферного углекислого газа выше тропопаузы быстро уменьшаются. В стратосфере рост концентрации значительно запаздывает по сравнению с её ростом в тропосфере. Так, согласно измерениям, концентрации
на высоте 36 км примерно на 7 млн
меньше, чем на уровне тропопаузы (т.е. на высоте 15 км). Это соответствует времени перемешивания между стратосферой и тропосферой, равному 5-8 годам.
Газообмен в системе атмосфера - океан.
Скорость газообмена.
В стационарном состоянии, существовавшем в доиндустриальное время, более 90% содержащегося на Земле изотопа находилось в морской воде и донных отложениях (содержание
в последних составляет всего несколько процентов). Существовал примерный баланс между переносом
из атмосферы в океан и радиоактивным распадом внутри океана. Средний глобальный обмен
между атмосферой и океаном можно определить путём измерения разности содержания
в углекислом газе атмосферы и растворённом
в поверхностном слое океана. Данные наблюдений за уменьшением концентрации
в атмосфере и её увеличением в поверхностных водах океана после проведения испытаний ядерного оружия дают ещё одну возможность определить скорость газообмена. Третий способ оценки скорости газообмена между атмосферой и океаном заключается в измерении отклонения от состояния равновесия между
и
, обусловленного поступлением
из океана в атмосферу. Средняя скорость газообмена
между атмосферой и океаном при концентрации
в атмосфере 300 млн
, полученная на основе этих трёх способов, равна 18
5 моль/(м
год). Это означает, что среднее время пребывания
в атмосфере равно 8,5
2 лет. Скорость газообмена на границе раздела между атмосферой и океаном зависит от состояния поверхности океана, от скорости ветра и волнения.
Буферные свойства карбонатной системы.
При растворении в морской воде происходит реакция гидратации с образованием угольной кислоты
, которая в свою очередь диссоциирует на ионы
. Карбонатная система определяется суммарной концентрацией растворённого неорганического углерода (
); полным содержанием боратов (
В); щелочным резервом (А); кислотностью (pH); парциальным давлением расворённого углекислого газа
, которое при условии равновесия с атмосферой равно парциальному давлению
в атмосфере. При поглощении
морской водой щёлочность остаётся неизменной, а образование и разложение органических и неорганических соединений приводит к изменению как
, так и А. Карбонатная система имеет следующие основные особенности:
1. Растворимость в морской воде и соответственно концентрация суммарного углерода, находящегося в равновесии с атмосферным
при заданном значении концентрации последнего, зависят от температуры.
2. Обмен между газовой фазой и раствором зависит от так называемого буферного фактора, который также называют фактором Ревелла.
Растворимость и буферный фактор увеличиваются при понижении температуры. Так как изменение парциального давления углекислого газа в направлении от полюса к экватору невелико, в среднем переносится из атмосферы в океан в высоких широтах и в противоположном направлении в низких, хотя наблюдаются отклонения от этой упрощённой картины вследствие того, что в результате апвеллинга из глубинных слоёв океана к поверхности приносятся обогащённые углекислым газом воды. Буферный фактор имеет величину порядка 10 и увеличивается с ростом значений
. Это означает, что
чувствительно к довольно малым изменениям
в воде. При сохранении равновесия в системе атмосфера - поверхностные воды океана изменение концентрации
в атмосфере примерно на 25% в течение последних 100 лет вызовет изменение содержания суммарного расворённого неорганического углерода в поверхностных водах только на 2-2,5%. Таким образом, способность океана поглощать избыточный атмосферный
в 10 раз меньше той, которую можно было бы ожидать исходя из сравнения размеров природных резервуаров углерода.
Углерод в морской воде.
Полное содержание углерода и щёлочность.
Как показали исследования, содержание суммарного неорганического углерода в океане в 1983 году более, чем в 50 раз превышало содержание в атмосфере. Кроме того, в океане находятся значительные количества растворённого органического углерода. Вертикальное распределение
не является однородным, его концентрации в глубинных слоях океана выше, чем в поверхностных. Наблюдается также увеличение концентрации
от довольно низких значений в глубинных водах Северного Ледовитого океана к более высоким значениям в глубинных водах Атлантического океана, к ещё более высоким в Южном и Индийском океанах до максимальных В Тихом океане. Вертикальное распределение щёлочности очень похоже на распределение
, однако пределы изменений щёлочности значительно меньше и составляют примерно 30% изменений
. Интересно отметить, что поверхностные концентрации
были бы на примерно на 15% выше, если бы океаны были хорошо перемешаны, что в свою очередь означало бы, что концентрация
в атмосфере должна быть около 700 млн
. Наличие вертикальных градиендов
(так же как и щёлочности) в океанах оказывает существенное влияние на концентрации атмосферного
.