Роль углекислого газа в формировании климата Земли

10:22 16/02/2020
Комментарии 0 👁 373

Упрощенная схема глобального углеродного цикла, показывающая типичные временные масштабы оборота переноса углерода через основные резервуары.

Круговорот углерода, СО2 и время

В предыдущем выпуске ТрВ-Наука Борис Штерн и Игорь Эзау уже дали важные объяснения парниковому эффекту.

И мы уже знаем, что СО2 играет чрезвычайно важную роль в регулировании температуры поверхности планеты. Чтобы понять роль углекислого газа в формировании климата Земли, нам придется проделать небольшой экскурс в ее механизм.

Как мы помним, Земля уникальна в Солнечной системе: здесь есть вода и свободный кислород, и поэтому долгосрочный климатический термостат связан с геохимическими циклами в твердой земле, их взаимодействием с атмосферой, составом атмосферы и составом морской воды. Климат-контроль — это не только наблюдения за погодой, т. е. за процессами, протекающими в нашей тропосфере (др.-греч. τρόπος «поворот» и σφαῖρα «сфера»). Это контроль за круговоротом важнейших химических элементов, слагающих планету.

Каким образом углекислый газ выходит на такие важные позиции в нашем климате?

Попробуем понять, каким образом окисленный углерод стал таким важным соединением в нашем климате. Осадки из насыщенной водой атмосферы выпадают на поверхность земли, горные породы и почвы, происходят химические реакции, которые приводят к выветриванию и разложению химических веществ. Затем потоки воды переносят эти элементы в океаны. Железо (Fe) немедленно окисляется и осаждается. Алюминий (Al) содержится в нерастворимых глинистых минералах и считается относительно инертным. Остаются кальций (Ca) и кремний (Si) в качестве очень важных элементов. Они активно вовлечены в современные биогеохимические циклы и составляют оболочки различных организмов, которые формируются в океане и осаждение которых приводит к образованию кремнеземов (SiO2) и карбонатов (CaCO3).

Где же здесь СО2?

Чтобы понять это, нужно разобраться в круговороте углеродных соединений. Самая стабильная форма углерода на Земле — это окисленный С в виде СО2 и СаСО3. Такие соединения называются «неорганическим» карбоном, а фотосинтез использует солнечную энергию, производя «органический карбон». Проследить химические реакции превращения одних соединений углерода в другие — это, собственно, и означает расшифровать круговорот жизни .

Количество углерода в атмосфере исчезающе мало по сравнению с огромным количеством углерода на суше и в океане. Большая часть этого углерода содержится в виде карбонатов кальция в осадочных породах (называемых геологами известняками), и часть — как нерастворимые осадки органических отложений (называемых геологами керогеном) . Только небольшая часть, около шестидесяти атомов из каждого миллиона, в настоящее время находится в атмосфере почти исключительно в виде СО2. Для того, чтобы осесть на поверхности суши или в океане, СО2 должен либо в атмосфере вступить в соединение с водой, и тогда он выпадает вместе с дождем в виде угольной кислоты H2CO3, либо попасть в океан в растворенном виде. Как? Углерод циркулирует между атмосферой и твердой землей в результате разрушения и формирования пород земной коры. Как мы заметили выше, основными участниками в контексте климата являются Са и Si, и в качестве примера можно привести химическую реакцию расщепления Са-Si-компонента:

CaSiО3 + СО2 ⇔ CaCO3 + SiO2

Это каноническая реакция Ю́ри  используемая для оценки глобального круговорота углерода в геосфере.

CaSiО3 — это минерал волластонит, с самой простой формулой из всех силикатных пород (без нерастворимых минералов), наиболее распространенных в земной коре (силикатные породы образуются в результате тектонических процессов, т. е. при огромном давлении и температуре, при остывании магмы и лавы). Его реакция с СО2 — это пример процесса химического выветривания. А правая часть реакции — карбонат кальция и кремнезём .

Реакция эта идет в обе стороны, т. е. если посмотреть на уравнение справа налево, то кальцит вступает в реакцию с кремнеземом тогда, когда донные осадки океанической плитой переносятся в зоны субдукции, т. е. погружения под другую плиту. Там высокие температуры и давление вызывают перекристаллизацию минералов в процессе метаморфизма. Это реакция называется метаморфической декарбонизацией. Снова образуется CaSiО3 и остается в мантии до поры до времени, а вот освободившийся углерод после окисления и превращения в СО2 стремится вырваться наружу. Это процесс «дегазации», и происходит он или во время извержения вулканов, или через горячие источники и гейзеры. СО2 снова оказывается в атмосфере и снова начинает участвовать в процессе выветривания.

Скорость выветривания зависит от наличия пресноводных осадков и стока, в которых могут растворяться горные породы. Скорость стока пресной воды зависит, в свою очередь, от климата Земли. Для того чтобы продемонстрировать роль воды в круговороте СО2, реакцию Юри можно представить в таков виде :

CaSiO3 + 2СО2 + H2O → Ca2+ + 2HCO–3 + SiO2 → CaCO3 + SiO2 + СО2 + H2O

Если в процессе выветривания силикатные породы разрушаются на суше, растворяясь водой, то реками и ручьями или грунтовыми водами они переносятся в океан. После того, как растворенный кальцит и кремнезём достигают океана, морские организмы используют их для формирования своих панцирей и раковин (или скелетов — в случае с кораллами). Их количество регулирует поглощение СО2 из атмосферы и суши.

Да, у Земли существует механизм самобалансирования углерода.

Потоки СО2 в результате выветривания и дегазации малы по сравнению с другими потоками, но если бы они были разбалансированы, например, если бы прекратилась дегазация, весь СО2 в атмосфере был бы израсходован на химическое выветривание за несколько сотен тысяч лет. Земля старше четырех миллиардов, так что, если проследить всю ее историю, можно сделать вывод, что потоки СО2 из продуктов выветривания, идущие в океан, и из дегазации, идущие в атмосферу, должны были быть сбалансированы. Земле удается сбалансировать эти потоки, находя правильную концентрацию СО2, это механизм стабилизации климата, называемый СО2-термостатом силикатного выветривания, или силикатно-карбонатным балансом. Иными словами, химическое выветривание силикатных пород контролирует климат, поглощая атмосферный углекислый газ.

В холодном климате общее количество осадков меньше, и, следовательно, уровень образования СО2, поглощаемого реакциями выветривания, более медленный. Следовательно, окисленный углерод стремится превратиться в CaCO3.

Дисбаланс в потоках позволит СО2, не использованному на выветривание, накапливаться в атмосфере, нагревать климат, увеличивать скорость выветривания и возвращать потоки дегазации и выветривания обратно к равновесию.

Если климат слишком теплый, окисленный углерод стремится остаться в атмосфере в виде СО2 и не балансируется кальцитом, осажденным в глубоководных отложениях. Но тогда СО2 потребляется на химическое выветривание быстрее, чем выделяется СО2 при дегазации Земли. Планета охлаждается, стремясь к балансу углеродного потока.

Суммируя сказанное выше простыми словами, можно сказать, что, если потеря углерода из мантии в результате вулканизма превышает возврат углерода в результате субдукции, разница добавляется к континентальной коре. При попадании вулканического углерода в океаны органические осадки создают карбонаты. Если вулканический углерод попадает в атмосферу, он попадет в континентальную кору по реакции Юри . И, как мы видим, углеродный цикл регулирует и концентрацию воды в атмосфере. Запомним это для понимания парникового эффекта.

Какой бальзам для отрицателей! Получается, что независимо от того, мало или много СО2 в атмосфере, Земля найдет способ сбалансировать последствия?

Да, механизм саморегуляции существует. Но термостат регулирует СО2 и климат в геологической временной шкале в сотни тысяч лет.

На протяжении геологической истории тектонический термостат регулировал баланс углерода в атмосфере. Но не всегда справлялся! Случались на Земле такие процессы, за которыми термостат не успевал. Эпизоды таких поражений заканчивались глобальными вымираниями. Как известно, их было пять. Но после катастрофы механизм перестраивался и возвращал СО2 до концентрации, которая в создавшихся условиях обеспечивала жизнь. И эти концентрации очень сильно отличались друг от друга.

Итак, процессы балансирования СО2 идут очень медленно. И наблюдения на отрезке времени короче миллиона лет, процессы других масштабов вмешиваются в механизм саморегуляции. Новые исследования, анализирующие эффективность формулы Юри, количественно оценили параметры климатического оптимума палеоцен — эоцена (PETM: The Paleocene–Eocene Thermal Maximum). Это был период повышения глобальной температуры на 4–5 °C ~56 млн лет назад, связанный с импульсом вулканизма и дегазацией СО2 в северной части Атлантики. Было установлено, что для баланса СО2 в атмосфере после климатического оптимума потребовалось около 50 тыс. лет . За такое время много чего может произойти!

Как мы уже знаем , глобально климатом управляют циклы Миланковича, а в процессе смены ледниковий и межледниковий, а также их небольших подвижек — стадиалов и межстадиалов — происходит множество неожиданных отклонений, регулируемых динамикой атмосферы — океана, изменениями в функционировании термохалинной океанической циркуляции, изменением альбедо и многими другими важными факторами, которые мы еще не обсуждали.

Жить по 50 тыс. лет не могут даже самые лучшие из нас. Так что надежду на земную саморегуляцию происходящих сегодня процессов нужно пока оставить.

Понять термостат

Медленно дышащая Земля в настоящее время производит дегазацию в основном вулканами Ньирагонго и Ньямурагира в Конго, Попокатепетлем в Мексике и Этной на Сицилии , и наблюдение за ними заставляет нас считать, что этот процесс протекает регулярно, хотя и сильно варьирует во времени, добавляя СО2 в атмосферу. Кроме того сейчас аккумулируется много CaCO3 на дне Атлантического океана, гораздо больше, чем уносится субдукцией, потому что активная субдукция происходит главными образом в Индийском и Тихом океанах. Это означает, что в прошлом скорость субдукции была гораздо выше, чем сегодня, потому что на долгом периоде осреднения колебания СаСО3 должны были быть сбалансированы. Балансируя еще свои старые процессы, погружая в зону субдукции больше СаСО3, Земля будет отдавать гораздо больше СО2 в будущем, чем отдает сейчас, согревая себя еще больше. И всё идет к тому, что силикатно-карбонатный термостат не сбалансирует текущих тенденций к перегреву планеты.

Мы подошли к важному выводу: зная механизм круговорота углерода, можно изменить установку термостата, создавая парниковый мир, подобный миру динозавров, или холодный мир, подобный сегодняшнему.

Отрицательный баланс углерода — это реакции выветривания, которые поглощают СО2. Горная местность выветривается быстрее, чем плоская равнина, покрытая плодородной почвой, потому что почва изолирует силикатные породы от дождевой воды, необходимой для выветривания. Гималаи — самая высокая горная система на Земле, возникшая в результате континентальной коллизии Индостана и Азиатской плиты несколько десятков миллионов лет назад, — продолжают подниматься. Существует гипотеза, что поднятие Гималаев может быть ответственным за нашу нынешнюю относительно прохладную эру, в отличие от «тепличных» периодов, таких, как меловой, или оптимума раннего эоцена, когда в воздухе могло быть в десять раз больше СО2, чем сегодня. Растения могут влиять на климат Земли, закачивая СО2 в воздушные поры в почве. Благодаря растениям, концентрации СО2 в почвенном воздухе могут быть в десять раз выше, чем в атмосфере. Дополнительный СО2 имеет тенденцию повышать скорость химического выветривания и потому что СО2 является компонентом реакции выветривания, и потому что СО2 оказывается кислотой, которая растворяет горные породы.

Растения появились на Земле около 400 млн лет назад, в силурийском периоде. Модели углеродного цикла предполагают, что это изменение в геохимии земной поверхности могло оказать огромное влияние на долгосрочный климат Земли. Если сравнить нас с другими планетами земной группы, то Венера, Земля и Марс все сначала имели атмосферу, но только Земля сохранила ее. Венера оказалась слишком близко к Солнцу. Вода, которая очевидно присутствовала на Венере, испарилась в катастрофическом парниковом эффекте, в результате чего водород, перестав быть связанным с кислородом из-за диссоциации молекул воды в верхних слоях атмосферы жестким излучением Солнца, был потерян в космосе навсегда. Без воды реакции силикатного выветривания прекратились, что позволило углероду Венеры перейти в атмосферу. Термостат оказался сломан. В результате весь углерод Венеры попал в атмосферу в виде СО2.

Марс — маленькая планета, его диаметр в два раза меньше земного, поэтому он охлаждается быстрее, чем Земля. Источником углерода на Марсе, как и на Земле, была вулканическая дегазация, но сегодня Марс геологически мертв, на нем нет тектоники плит. Поэтому единственным источником углерода остается испарение с поверхности СО2-льда. Если учитывать весь ­СО2-лёд, то парциальное давление СО2 (pСО2) на поверхности Марса выше, чем на Земле, но углекислого газа совершенно недостаточно в воздухе, чтобы привести планету к точке таянья льда, что включило бы химические реакции выветривания. Если бы на Марсе происходила дегазация СО2 и если бы была вода, вероятно, в конечном итоге концентрация СО2 возросла бы до необходимого уровня. Но дегазации нет, поэтому термостат СО2 на Марсе тоже сломан, но не так, как на Венере.

Термостаты Венеры и Марса сломаны .

Как видите, термостат планет Солнечной системы может быть сломан. Земле и нам вместе с ней повезло, у нас термостат работает, запущенный тектоническими процессами, он регулирует содержание углерода в разных ее резервуарах, поддерживая жизнь.

Очевидно, что мы не можем остановить тектонический термостат Земли, но можем его поломать.

Как? Разве наших малых сил может хватить на то, чтобы помешать такой махине?

Парниковый эффект и СО2

Согревающий эффект парниковых газов является фундаментальным фактом физики, а не вопросом «веры» или политического спора.
Ч. Лэнгмюр и В. Брокер

Теперь, когда мы знаем, что СО2 был одним из основных компонент в ранних атмосферах планет земной группы, мы можем оценить его роль в современной атмосфере. Способность интенсивного поглощения энергии в инфракрасном спектре делает СО2 мощным регулятором парниковых газов и всего климата. Тот факт, что климат Земли оставался благоприятным для жизни по крайней мере последние 3,5 млрд лет несмотря на значительное увеличение солнечной светимости, как раз и объясняется более высокими концентрациями СО2 в атмосфере в прошлом, которые стабилизировали климат.

В атмосфере Земли СО2 уступает только воде по своим свойствам парникового газа. Но как мы уже знаем, в атмосфере его предельно мало, особенно по сравнению с водой, которая считается парниковым газом номер один. Мы должны разобраться теперь, почему даже при незначительных концентрациях СО2 в нынешней атмосфере Земли он оказывается основным, да еще и антропогенным фактором изменения климата.

Солнечная энергия, как всем хорошо известно, поступает на поверхность Земли в коротковолновом спектре. Если бы Земля была «черным телом», т. е. абсолютным поглотителем, вся солнечная энергия во всех спектральных областях была бы поглощена и реизлучена в атмосферу в инфракрасном спектре (ИК). В реальности Земля не является черным телом, у нее есть атмосфера и у нее есть альбедо. Только та энергия, которая пробивается к поверхности Земли через облака, аэрозоли (пыль в атмосфере) и не отражается с поверхности за счет высокого альбедо (например, в полярных областях, всё еще покрытых льдами), поглощается земной поверхностью. В атмосфере насчитывается семь основных парниковых газов, каждый из которых отвечает за определенный волновой диапазон в электромагнитном спектре. Только в этом диапазоне конкретные газы выполняют свою работу: поглощают длинноволновое излучение, исходящее от земли, и затем реизлучают в том числе и обратно, в сторону земной поверхности. Понятно, что нужно не только знать концентрацию этих газов, но и учитывать их свойства для того, чтобы разобраться, какой из них влияет на перераспределение тепла в атмосфере в наибольшей мере.

Разберемся немного в терминологии. Под концентрацией газа понимается количество молекул в определенном объеме воздуха. Проблема в том, что газы могут расширяться и сжиматься. То есть целесообразнее говорить о пропорциях этих газов, чем об их массе или количестве молекул. Например, на кислород приходится 20–21% всех молекул в составе атмосферы, а азот почти 80%. Доля СО2 на сегодняшний день ~0,0412%. Ту же величину можно выразить в частях на миллион (part per million, или ppm). Это число называется фактором смешивания (mixing ratio).

Общее давление смеси газов можно разделить на так называемые парциальные давления, присущие каждому типу молекул в газе. Парциальное давление СО2, например, записывается как рСО2. Оно пропорционально концентрации молекул данного газа вне зависимости от массы молекулы. Давление газа в единицах микроатмосфер (µatm) численно почти равно его фактору смешивания в частях на миллион (ppm). Суть в том, что парциальное давление газа более или менее пропорционально фактору смешивания, количественной пропорции газа. Если вы считаете в единицах давления атмосферы, фактические числа одинаковы для парциального давления и фактора смешивания. Например, для СО2 фактор смешивания в настоящее время составляет около 412 ppm, а его pСО2 — около 412 µatm.

Что происходит с углекислым газом после того, как он попадает в атмосферу?

Углекислый газ сначала быстро распределяется между атмосферой, верхними слоями океана и растительностью. В атмосфере он распределяется, управляемый конвекцией, согласно влажному адиабатическому падению температур с высотой. В сущности, разница температур на поверхности Земли и в высоких слоях тропосферы и задают парниковый эффект.

Молекула воды в свою очередь взаимодействует с ИК-излучением в очень широком спектральном диапазоне. По­этому вода является очень сильным парниковым газом.

Тогда что выдвигает СО2 на первую роль по сравнению с водой, если воды много и она очень мощный парниковый газ, а СО2 мало и он действует только в узком диапазоне?

Согласно известной нам формуле Юри, углерод продолжает перемещаться между различными резервуарами глобального углеродного цикла, такими как глубокий океан, горные породы и почвы. Некоторые из этих перемещений происходят очень медленно. В зависимости от количества выделяемого СО2, в атмосфере его будет оставаться от 15% до 40% на срок от 10 до 2000 лет, после чего устанавливается новый баланс между атмосферой, биосферой и океаном. СО2 долговечнее в атмосфере, чем все остальные газы. За время своего пребывания в атмосфере он согревает ее, усиливая парниковый эффект водяного пара, и суммарно поглощает и излучает больше ИК-радиации, чем все остальные газы вместе взятые.

Как парниковый газ взаимодействует с земным излучением? Для ответа обратимся к Дэвиду Арчеру : «На рисунке гладкие кривые показывают спектры черного тела для температур в диапазоне от 300 К, температуры поверхности в жаркий летний день, до 220 К, что является примерно самым низким значением температур на верхней границе тропосферы на высоте около 10 км. Ломаная линия показывает интенсивность излучения, которую инфракрасный спектрометр увидел бы, находясь на орбите над Землей и смотря вниз. Спектр излучения, покидающего Землю, уходящего в космос, колеблется между двумя различными спектрами черного тела: самым теплым около 270 К и самым холодным около 220 К. Части спектра, в особенности широкая, гладкая часть около 850–1000 циклов/см, соответствует теплому спектру черного тела. Так как не бывает газов в атмосфере, которые поглощают или излучают на этой частоте, значит, этот ИК-свет исходит непосредственно от Земли. Поскольку парниковые газы в атмосфере прозрачны для инфракрасного света в этой полосе частот, этот диапазон называется атмосферным окном» .

Температурные кривые черного тела подобны шкале температуры на термометре. По этой шкале можно определить температуру инфракрасного источника по его интенсивности.

Эффект «насыщения полосы»

Атмосфера 2010 года содержала ~390 ppm СО2 . Без СО2 атмосфера была бы прозрачной для света в диапазоне около 700 циклов/см, как в атмосферном окне. Добавление первых 10 ppm СО2 оказывает довольно заметное влияние на форму спектра исходящего света, происходит резкий V-образный врез вниз от спектра. Когда концентрация СО2 увеличивается до 100 и 1000 ppm, центр пика переходит в кривую черного тела к чуть более холодной температуре, чем 220 К, и не становится глубже, когда концентрация СО2 повышается до 1000 ppm. Это эффект насыщения полосы, где под полосой понимается диапазон частот, поглощенных СО2.

Однако энергетический баланс никогда не становится абсолютно нечувствительным к дальнейшим добавлениям СО2. Большее количество СО2 всегда сделает его теплее, даже при давлении в 70 атмосфер СО2 в атмосфере Венеры. Отчасти это происходит потому, что с увеличением концентрации СО2 полоса поглощения становится шире, даже если она не может стать глубже. Середина полосы поглощения насыщена, но края ненасыщенные.

Центр полосы поглощения насыщается, но полоса продолжает становится шире при добавлении СО2.

Из всех парниковых газов только вода конденсируется и выпадает в осадки.

Таким образом, неконденсирующиеся парниковые газы, на которые приходится 25% общего земного парникового эффекта, обеспечивают стабильную температуру, которая поддерживает уровень атмосферного водяного пара и облаков через обратные связи, т. е. регулирует оставшиеся 75% парникового эффекта. Без радиационного воздействия, в основном создаваемого СО2, земной парник разрушится.

Итак, мы пришли к выводу, что углекислый газ обладает не­обычайно широкими полномочиями в атмосфере, руководит круговоротом углерода на всей Земле и, самое главное, даже самое небольшое изменение его в атмосфере может привести к удивительным последствиям, не связанным с количеством тонн и молекул, которыми он представлен.

Насыщение полосы поглощения приводит к тому, что эффективная оптическая толща углекислого газа с увеличением его концентрации растет не линейно, а примерно логарифмически — так «работают» края полосы. Это значит, что величина парникового эффекта (то есть в конечном счете и наша температура воздуха) меняется одинаково с каждым удвоением СО2. Не имеет значения, сколько его было вначале, 10 или 100 гигатонн, радиационный эффект от удвоения 100 или 1000 ppm будет тот же.

Задуматься нужно над тем, что у нас очень мало СО2 в атмосфере сейчас. И удвоить его очень легко. Если бы мы переселились к динозаврам, то сделать это было бы практически невозможно. Вот тут и разгадка, почему в меловом периоде было так много СО2, «и ничего»! В этом смысле человечеству повезло, что оно пришло в мир с СО2 в 270 ppm, если бы оно было ниже, антропогенные температуры росли бы еще стремительнее.

По материалам:

Ирина Делюсина,
палеоклиматолог, факультет наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Дэвисе (США)

Дорогие друзья! Желаете всегда быть в курсе последних событий во Вселенной? Подпишитесь на рассылку оповещений о новых статьях, нажав на кнопку с колокольчиком в правом нижнем углу экрана ➤ ➤ ➤

Источник

Добавить комментарий