Вуглекислий газ в атмосфері Землі

Зміни концентрації CO₂ в ppm впродовж останніх 400 тис. років (зверху — за останню тисячу років)

Вуглекислий газ в атмосфері Землі, станом на 2013 рік, коливався в межах від 393 ppm (0,0393 %) до 397 ppm (0,0397 %). Роль вуглекислого газу (CO₂, двоокис або діоксид вуглецю ) в життєдіяльності біосфери полягає насамперед у підтриманні процесу фотосинтезу, який здійснюється рослинами. Оскільки двоокис вуглецю є парниковим газом, то він впливає на теплообмін планети з навколишнім простором, ефективно блокуючи відбите інфрачервоне випромінювання на низці частот, і таким чином бере участь у формуванні клімату планети.

Оскільки людство активно використовує викопні енергоносії як паливо, то відбувається швидке збільшення концентрації цього газу в атмосфері. Крім того, за даними МГЕЗК ООН, до третини загальних антропогенних викидів CO₂ є результатом збезлісення. Антропогенний вплив на концентрацію двоокису вуглецю помітний від середини XIX століття. Починаючи з цього часу, темп її зростання збільшувався і наприкінці 2000-х років відбувався зі швидкістю 2,20±0,01 ppm/рік або 1,7 % за рік. Згідно з окремими дослідженням, сучасний рівень CO₂ в атмосфері є максимальним за останні 800 тис. років і, можливо, за останні 20 млн років.

Роль в парниковому ефекті

Спектр пропускання земної атмосфери (залежність прозорості від довжини хвилі). Видно смуги поглинання CO₂, O₂, O₃ і H₂O.

Відмінною особливістю парникових властивостей двоокису вуглецю в порівнянні з іншими газами є його довгостроковий вплив на клімат, який, після припинення емісії, що його викликала, продовжується за інерцією впродовж до тисячі років. Інші парникові гази, такі як метан і оксид азоту, існують у вільному стані в атмосфері протягом коротшого часу.

Попри відносно невелику концентрацію в повітрі, CO₂ є важливою компонентою земної атмосфери, оскільки він поглинає і перевипромінює інфрачервоне випромінювання на різних довжинах хвиль, включаючи довжину хвилі 4,26 мкм (вібраційний режим — за рахунок асиметричного розтягнення молекули) і 14,99 мкм (вигинні коливання). Цей процес виключає або знижує випромінювання Землі в космос на цих довжинах хвиль, що призводить до парникового ефекту.

Крім парникових властивостей двоокису вуглецю, має значення той факт, що він важчий від повітря. Оскільки середня відносна молярна маса повітря становить 28,98 г/моль, а молярна маса CO₂ — 44,01 г/моль, то збільшення частки вуглекислого газу призводить до збільшенню густини повітря і, відповідно, до зміни профілю його тиску залежно від висоти. В силу фізичної природи парникового ефекту, така зміна властивостей атмосфери призводить до збільшення середньої температури на поверхні.

Основним джерелом парникового ефекту в атмосфері Землі є водяна пара. За відсутності парникових газів у атмосфері і значенні сонячної постійної 1 368 ^Вт⁄_м², середня температура на поверхні повинна становити -15 °C. Насправді середня температура на поверхні Землі становить +15 °C, тобто парниковий ефект призводить до її збільшення на 30 °C, з яких 20,6 °C пояснюється наявністю в повітрі водяної пари, а 7,2 °C.  — вуглекислого газу. Оскільки при збільшенні частки цього газу в атмосфері його велика молярна маса призводить до зростання густини і тиску, то при одній і тій самій температурі зростання концентрації CO₂ призводить до збільшення вологоємності повітря і до посилення парникового ефекту, обумовленого великою кількістю води в атмосфері. Збільшення частки води в повітрі для досягнення одного і того ж рівня відносної вологості — внаслідок малої молярної маси води (18 г/моль) — знижує густину повітря, що компенсує збільшення густини, викликане наявністю підвищеного рівня вуглекислого газу в атмосфері.

Комбінація перерахованих факторів у цілому призводить до того, що збільшення концентрації від доіндустріального рівня 280 ppm до сучасного 392 ppm еквівалентне додатковому виділенню 1,8 Вт на кожен квадратний метр поверхні планети.

Джерела вуглекислого газу

псевдокольорове зображення забруднення повітря димом і озоном внаслідок пожеж в Індонезії, 1997 рік

Літні пожежі 2010 року в Росії з космосу.

До природних джерел двоокису вуглецю в атмосфері належать вулканічні виверження, згоряння органічних речовин у повітрі і дихання представників тваринного світу (аеробні організми). Також деякі мікроорганізми виробляють вуглекислий газ в процесу бродіння, клітинного дихання і перегнивання органічних останків у повітрі. До антропогенним джерел емісії CO₂ в атмосферу належать: спалювання викопних і невикопних енергоносіїв для отримання тепла, виробництва електроенергії, транспортування людей і вантажів. До значного виділення CO₂ призводять деякі види промислової активності, такі, наприклад, як виробництво цементу та утилізація газів шляхом їх спалювання в газових факелах.

Рослини перетворюють одержуваний вуглекислий газ у вуглеводи в процесі фотосинтезу, який здійснюється за допомогою пігменту хлорофілу, що використовує енергію сонячного випромінювання. Одержуваний газ, кисень, вивільняється в атмосферу Землі і гетеротрофні організми та інші рослини використовують його для дихання, формуючи таким чином вуглецевий цикл.

Природні джерела

Більшість джерел емісії CO₂, за даними на 98-й рік, є природними. Перегнивання органічного матеріалу, такого як мертві дерева і трава, призводить до щорічного виділення 220 млрд тонн двоокису вуглецю, земні океани виділяють 330 млрд. Внаслідок індонезійських лісових і торф'яних пожеж 1997 року було виділено 13-40 % від середньорічної емісії CO₂, одержуваної в результаті спалювання копалин палив. У часи молодої Землі вулканічна активність була головним джерелом вуглекислого газу, а нині його вулканічна емісія (близько 130—230 млн тонн на рік) становить менш як 1 % від антропогенних викидів.

У звичайному стані ці природні джерела перебувають у рівновазі з фізичними та біологічними процесами, що видаляють двоокис вуглецю з атмосфери — частина CO₂ розчиняється в морській воді і частина видаляється з повітря в процесі фотосинтезу. Оскільки зазвичай в ході цього процесу поглинається 5,5 × 10¹¹ т діоксиду вуглецю, а його загальна маса в земній атмосфері становить 3,03 × 10¹² т, то в середньому весь атмосферний CO₂ бере участь у вуглецевому циклі раз на шість років. Через наявність антропогенних викидів поглинання CO ₂біосферою перевершувало його виділення на ≈17 млрд тонн в середині 2000-х років, швидкість його поглинання має стійку тенденцію до збільшення разом із зростанням атмосферної концентрації.

Антропогенна емісія

Емісія вуглецю в атмосферу в результаті промислової активності в 1800—2004 роках

З настанням промислової революції в середині XIX століття відбувалося поступове збільшення антропогенних викидів двоокису вуглецю в атмосферу, що призвело до порушення балансу вуглецевого циклу і зростання концентрації CO₂. Нині близько 57 % виробленого людством вуглекислого газу видаляється з атмосфери рослинами і океанами. Співвідношення збільшення кількості CO ₂ в атмосфері до всього виділеного CO₂ становить постійну величину порядку 45 % і зазнає короткоперіодичних коливань і коливань з періодом п'ять років.

Спалювання викопних палив, таких як вугілля, нафта і природний газ, є основною причиною емісії антропогенного CO₂, знеліснення є другою за значимістю причиною. У 2008 році в результаті спалювання викопного палива в атмосферу було виділено 8,67 млрд тонн вуглецю (31,8 млрд тонн CO₂), тоді як в 1990 році річна емісія вуглецю становила 6,14 млрд тонн. Відведення лісів під землекористування привела до збільшення вмісту атмосферного двоокису вуглецю еквівалентне спалюванню 1,2 млрд тонн вугілля у 2008 році (1,64 млрд тонн у 1990). Сумарне збільшення за 18 років становить 3 % від щорічного природного циклу CO₂, що достатньо для виведення системи з рівноваги і для прискореного зростання рівня CO₂. Внаслідок цього, двоокис вуглецю поступово акумулювався в атмосфері й станом на 2009 рік його концентрація на 39 % перевершувала доіндустріальну.

Таким чином, попри те, що (станом на 2011 рік) сумарне антропогенне виділення CO₂ не перевищує 8 % від його природного річного циклу, спостерігається збільшення концентрації, обумовлене не лише рівнем антропогенних викидів, але й постійним зростанням рівня викидів з часом.

Зміна температури і вуглецевий цикл

До інших чинників, що збільшує вміст CO ₂ в атмосфері, слід віднести зростання середньої температури в XX столітті, що повинно було відбиватися в прискоренні перегнивання органічних залишків і, внаслідок прогрівання океанів, в зниженні загальної кількості діоксиду вуглецю, що розчиняється у воді. Збільшення температури відбувалося в тому числі через виключно високу сонячну активність в цей період і в XIX столітті (див., наприклад, подія Каррінгтона 1859 року).

При переході від умов холодного до теплого клімату протягом останнього мільйона років, природна зміна концентрації атмосферного CO₂ залишалася в межах 100 ppm, тобто сумарне збільшення його вмісту не перевищувало 40 %. При цьому, наприклад, середня температура планети в період кліматичного оптимуму 9000÷5000 років до н. е. була приблизно на 1-2 °C вища від сучасної, а внаслідок сильніше вираженого парникового ефекту в умовах теплого клімату середньорічна аномалія температури в субарктичних широтах сягала 9 °C.

Вплив вулканізму

Виверження вулкана Пінатубо 1991 року

Схеми викидів CO₂ з вулканічних та магматичних систем

Сучасний вулканізм в середньому призводить до виділення 2× 10⁸ тонн CO₂ на рік, що становить менш як 1 % від антропогенних викидів емісії. Основна відмінність цього виду емісії від антропогенної полягає в тому, що при спалюванні викопних енергоносіїв у повітрі відбувається заміщення молекул кисню молекулами вуглекислого газу, тобто сумарне збільшення маси атмосфери відповідає масі спаленого вуглецю, тоді як при вулканічних виверженнях відбувається збільшення маси атмосфери на величину, що дорівнює масі виділеного газу.

Вуглекислий газ — другий за кількістю (після водяної пари) газ, що виділяється вулканами. Більшість газу, який виділяють підводні вулкани, розчиняється у воді. Ізотопний склад діоксиду вуглецю, що виділяється, приблизно відповідає ізотопному складу атмосферного CO₂, який утворюється в результаті спалювання викопних енергоносіїв, що ускладнює точне визначення об'єму вулканічної емісії CO₂.

Великі вулканічні виверження можуть призводити до значного виділенню діоксиду вуглецю в атмосферу, але такі виверження відбуваються рідко — кілька подій на століття — і в середньому не роблять помітного впливу на рівень емісії цього газу в атмосферу. Наприклад, при виверженні вулкана Лакі 1783 року виділилося приблизно 90 млн тонн CO₂, при виверженні Тамбори 1815 близько 48 млн тонн. Окремі дослідження вказують на дещо більше виділення двоокису вуглецю під час вищезгаданих виверженнь (Лакі 1783 ≈6,5 × 10⁸ т), але відносна рідкість подібних подій робить їх вплив на вміст вуглекислого газу несуттєвим і в цьому разі.

Останнім виверженням категорії VEI 6 було виверження вулкана Пінатубо 1991 року. Його основний вплив на вміст вуглекислого газу в атмосфері полягав у виділенні аерозолів у стратосферу і, як наслідок, у порушенні балансу вуглецевого циклу через зниження на 0,5 °C середньої температури на планеті унаслідок антипарникового ефекту. Збільшення амплітуди сезонних коливань на графіку Кілінга в цей період часу вказує на деяке поліпшення умов для здійснення фотосинтезу рослинами на початку 1990-х років. Останнє можна пояснити ефектом розсіювання сонячного випромінювання на частинках стратосферного аерозолю, що і призвело до збільшення споживання атмосферного CO₂рослинами.

Сучасна концентрація

Зміна концентрації CO₂ за 50 років.

Станом на 2009 рік середня концентрація CO₂ в атмосфері Землі становила 0,0387 % або 387 ppm. Разом з річним зростанням на 2,20±0,01 ppm впродовж року спостерігається періодична зміна концентрації амплітудою 3-9 ppm, яка йде за розвитком вегетаційного періоду в Північній півкулі. Оскільки в північній частині планети розташовані всі основні континенти, вплив рослинності північної півкулі домінує в річному циклі концентрації CO₂. Рівень досягає максимуму в травні, коли кількість біомаси, яка здійснює фотосинтез, є найбільшою, й мінімуму в жовтні.

Зміна концентрації в минулому

Найбільш достовірний спосіб вимірювання концентрації двоокису вуглецю в атмосфері за період часу до початку прямих вимірювань — визначення його кількості в бульбашках повітря, укладених в крижаних кернах з материкових льодовиків Антарктиди і Гренландії. Найбільш широко заради цього використовують антарктичні керни, згідно з якими рівень атмосферного CO₂ залишався в межах 260—284 ppm до початку промислової революції в середині XIX століття і протягом 10 тис. років до цього моменту часу. Окремі дослідження, засновані на вивченні викопного листя, вказують на набагато суттєвіші зміни рівня CO₂ за цей час (~ 300 ppm), але їх піддають критиці. Також керни, взяті в Гренландії, вказують на значну відмінність концентрації вуглекислого газу в них, як порівняти з показниками Антарктиди. Але при цьому дослідники гренландських кернів припускають, що ця різниця обумовлена ​​локальними опадами карбонату кальцію. У разі низького рівня пилу в зразках льоду, взятого в Гренландії, дані за рівнями CO₂ протягом голоцену добре узгоджуються з даними з Антарктики.

Найбільш тривалий період вимірювань рівнів CO₂ на підставі вивчення крижаних кернів можливий в Східній Антарктиді, де вік льоду досягає 800 тис. років, і який показує, що концентрація двоокису вуглецю змінювалася в межах 180—210 ppm під час льодовикових періодів і збільшувалася до 280—300 ppm під час тепліших періодів.

Зміни концентрації атмосферного вуглекислого газу впродовж фанерозою (останні 541 млн років, сучасність ліворуч). Протягом більшої частини останніх 550 млн років рівень CO₂ значно перевершував сучасний.

На більш тривалих інтервалах часу вміст атмосферного CO₂ підраховують на підставі визначення балансу геохімічних процесів, включаючи визначення кількості матеріалу органічного походження в осадових породах, вивітрювання силікатних порід і вулканізм у досліджуваний період. Протягом десятків мільйонів років у разі будь-якого порушення рівноваги у вуглецевому циклі відбувалося подальше зменшення концентрації CO₂. Оскільки швидкість цих процесів виключно низька, то встановлення взаємозв'язку емісії двоокису вуглецю з подальшою зміною його рівня протягом наступних сотень років є складним завданням.

Для вивчення концентрації вуглекислого газу в минулому також використовують різні непрямі методи датування. Вони включають визначення співвідношення ізотопів бору і вуглецю в деяких типах морських осадових порід і кількість продихів у викопному л́исті рослин. Попри те, що ці вимірювання менш точні, ніж дані крижаних кернів, вони дозволяють визначити дуже високі концентрації CO₂ у минулому, які 150—200 млн років тому становили 3000 ppm (0,3 %) і 400—600 млн років тому — 6000 ppm (0,6 %). За іншими даними — були квазіперіодичні коливання рівня CO₂ приблизно кожні 100 млн років

Зниження рівня атмосферного CO₂ припинилося на початку пермського періоду, але продовжилося, починаючи приблизно з 60 млн років тому. На рубежі еоцену і олігоцену (34 млн років тому — початок формування сучасного Антарктичного льодовикового щита) кількість CO₂ становила 760 ppm. За геохімічними даними встановлено, що рівень вуглекислого газу в атмосфері досягнув доіндустріального рівня 20 млн років тому і становив 300 ppm.

Взаємозв'язок із концентрацією в океані

Обмін вуглекислого газу між водоймами і повітрям

У земних океанах двоокису вуглецю в сто разів більше, ніж в атмосфері — 36 × 10¹² тонн у перерахунку на вуглець. Він там перебуває у вигляді гідрокарбонат — і карбонат — іонів. Гідрокарбонати з'являються в результаті реакцій між скельними породами, водою і CO₂. Одним із прикладів є розкладання карбонату кальцію:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃^-

Реакції, подібні до цієї, призводять до згладжування коливань концентрації атмосферного CO₂. Оскільки права частина реакції містить кислоту, додавання CO₂ в лівій частині зменшує pH, тобто призводить до закислення океану. Інші реакції між двоокисом вуглецю і некарбонатними породами теж призводять до утворення вугільної кислоти та її іонів.

Цей процес є зворотним, що призводить до утворення вапнякових та інших карбонатних порід з вивільненням половини гідрокарбонатів у вигляді CO₂. Впродовж сотень мільйонів років цей процес призвів до зв'язування в карбонатних породах здебільшого первісного діоксиду вуглецю з протоатмосфери Землі. У кінцевому підсумку більшість CO₂, отриманого в результаті антропогенної емісії, буде розчинено в океані, але швидкість, з якою буде відбуватися цей процес у майбутньому, залишається не до кінця визначеною.

Див. також

• Вуглецевий цикл
• Глобальне потепління
• Зміна клімату
• Кіотський протокол (CO₂, CH₄, HFCs, PFCs, N₂O, SF₆)

Посилання

• ' GMS: A Year In The Life Of Earth’s CO2 : [англ.] : [арх. 28 лютого 2018 року] // NASA. Scientific Visualization Studio. — 2014. — 17 November. — Дата звернення: 28 лютого 2018 року. — анімація річного циклу концентрації вуглекислого газу в атмосфері Землі; відео на YouTube