Рост содержания углекислого газа в атмосфере. Углекислый газ в атмосфере земли достиг самой высокой концентрации. Выводы и выходы

Роль в парниковом эффекте

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар . При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной , равной 1368 Вт ⁄ м 2 , средняя температура на поверхности должна составлять -19,5 °C. В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +14 °C, то есть, парниковый эффект приводит к её увеличению на 34 °C . При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO 2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн , включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим - за счёт асимметричного растяжения молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания молекулы). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту .

Кроме инфракрасных свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха . Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль , а молярная масса CO 2 - 44,01 г/моль , то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности . Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO 2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере . Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности - в силу малой молярной массы воды (18 г/моль ) - снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты . Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота , сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго .

Роль в похолодании

Теория глобального потепления не может объяснить тот факт, что содержание углекислого газа было когда то многократно выше (особенно до появления кислорода) но жизнь возникла и процветала, венерианский сценарий не реализовался. Это предполагает наличие отрицательной обратной связи. Таким "охлаждающим" эффектом могут служит облака, отражающие солнечную радиацию и возникающие при ещё большем содержании углекислого газа, чем есть сейчас. Оба явления, - потепления и похолодания, таким образом являются стабилизирующими механизмами для условий жизни на Земле.

Источники углекислого газа

К естественным источникам диоксида углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения , клеточного дыхания и в процессе гниения органических остатков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO 2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии , транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO 2 приводят некоторые виды промышленной деятельности, такие, например, как производство цемента и утилизация попутных нефтяных газов путём их сжигания в факелах .

Естественные источники

Большинство источников эмиссии по данным 98−го года РФ CO 2 являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют 330 млрд . Пожары , возникающие в том числе по естественным причинам, из-за самого процесса горения в атмосфере и - в случае выгорания лесных массивов - за счет обезлесения приводят к эмиссии, которая сравнима с антропогенной. Например, в ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года (англ.) русск. было выделено 13-40 % от среднегодовой эмиссии CO 2 , получаемой в результате сжигания ископаемых топлив . Вулканическая активность была главным источником углекислого газа во времена молодой Земли, в современный геологический период вулканическая эмиссия составляет около 130–230 млн тонн в год или менее 1 % от антропогенной .

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы - часть CO 2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5⋅10 11 т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ⋅10 12 т, то в среднем весь атмосферный CO 2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет . Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO 2 биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации .

Антропогенная эмиссия

Сжигание ископаемых топлив, - таких как уголь , нефть и природный газ , является основной причиной эмиссии антропогенного CO 2 . Вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO 2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн . Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990) . Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO 2 , что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO 2 . Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на 39 % превысила доиндустриальное значение .

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO 2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

Изменение температуры и углеродный цикл

К другим факторам, увеличивающим содержание CO 2 в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке , что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона , 1859 г.) .

Влияние вулканизма

Современная концентрация углекислого газа в атмосфере

В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO 2 в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm , в сентябре 2016 года превысила 400 ppm .

Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm , в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3-9 ppm , которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии . Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO 2 . Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы , осуществляющей фотосинтез , является наибольшим .

Весной 2016 года австралийские ученые установили, что концентрация диоксида углерода в атмосфере в районе острова Тасмания достигла 400 ppm .

11 мая 2019 года, зафиксирован новый рекорд концентрации CO 2 в атмосфере: 415,28 ppm (или 0,041528 % углекислого газа в воздухе) .

Изменение концентрации в прошлом

Наиболее достоверным способом измерения концентраций атмосферного диоксида углерода в период времени до начала прямых измерений является определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии . Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO 2 оставался в пределах 260-284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени . Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы , указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO 2 в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике . Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция . В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO 2 в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO 2 на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180-210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280-300 ppm в более теплые периоды .

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO 2 определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO 2 . Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии диоксида углерода с последующим изменением его уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.) русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO 2 в прошлом, которые 150-200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400-600 млн лет назад - 6 000 ppm (0,6 %) .

Снижение уровня атмосферного CO 2 прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная примерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад - начало формирования современного ледяного щита Антарктиды) количество CO 2 составляло 760 ppm . По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

Взаимосвязь с концентрацией в океане

CaCO 3 + CO 2 + H 2 O ⟷ Ca 2 + + 2 HCO 3 − {\displaystyle {\ce {CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca^{2+}\ +\ 2HCO3-}}} .

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO 2 . Так как правая часть реакции содержит кислоту , добавление CO 2 в левой части уменьшает , то есть приводит к закислению океана . Другие реакции между диоксидом углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и его ионов .

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO 2 . В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO 2 , полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой .

Влияние концентрации CO 2 в атмосфере на продуктивность растений (фотосинтеза)

По способу фиксации CO 2 подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4 . К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около 95% растительной биомассы Земли это С3-растения). К группе С4 принадлежат некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, просо.

С4-механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций CO 2 в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO 2 в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO 2 более 1000 ppm .

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO 2 в 400 ppm . Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент более 400 молекул на миллион (ppm), уже достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё еще очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO 2 приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на 41 % , а у С4 - на 22 %.

Добавление в окружающий воздух 300 ppm CO 2 приведет к росту продуктивности у С3-растений на 49 % и у С4 - на 20 %, у фруктовых деревьев и бахчевых культур - на 24 %, бобовых - на 44 %, корнеплодных - на 48 %, овощных - на 37 %.

С 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации CO 2 на

См. также

Примечания

1. Mauna Loa CO2 monthly mean data (англ.) . Earth System Research Laboratory. Дата обращения 16 мая 2018.
2. (англ.) Petty, G. W.: A First Course in Atmospheric Radiation , pages 229-251, Sundog Publishing, 2004
3. http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.1.2 (p. 514-515)
4. www.un.org: Изменение климата.
5. (англ.) Deep ice tells long climate story , BBC News (4 сентября 2006). Дата обращения 28 апреля 2010.
6. (англ.) Climate Change 2001: The Scientific Basis Архивная копия от 27 апреля 2007 на Wayback Machine
7. Подрезов А. О., Аламанов С. К.; Лелевкин В. М., Подрезов О. А., Балбакова Ф. Изменение климата и водные проблемы в Центральной Азии. Учебный курс для студентов естественных и гуманитарных специальностей. Москва – Бишкек, 2006 (неопр.) (недоступная ссылка) 18. Дата обращения 16 июня 2012. Архивировано 12 июля 2012 года.
8. Calculating Planetary Energy Balance & Temperature | UCAR Center for Science Education (неопр.) . scied.ucar.edu. Дата обращения 29 июня 2019.
9. ПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА Архивная копия от 1 мая 2009 на Wayback Machine , Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики
10. (англ.) An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations , 1998 - 2012 Richard Shelquist
11. Абсолютная и относительная влажность
12. (англ.) Humidity 101 Архивировано 16 апреля 2013 года. , World Water Rescue Foundation
13. Изменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие , World Bank Group: Хабиба Гитай
14. (англ.) Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions - PNAS
15. (англ.) WMO statement on the globa climate in 2010 Архивная копия от 11 мая 2011 на Wayback Machine
16. (англ.) Bundle Up, It’s Global Warming , JUDAH COHEN, 25.12.2010
17. (англ.) Impact of decadal cloud variations on the Earth’s energy budget
18. (англ.) Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming
19. (англ.) Massive peat burn is speeding climate change - 06 November 2004 - New Scientist
20. (англ.) Gerlach, T. M. , 1992, Present-day CO 2 emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254–255
21. (англ.) U.S. Geological Survey, "Volcanic Gases and Their Effects ", volcanoes.usgs.gov
22. Keeling et al., 1995
23. (англ.) Abstract , Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks .
24. (англ.)

Газировка, вулкан, Венера, рефрижератор – что между ними общего? Углекислый газ. Мы собрали для Вас самую интересную информацию об одном из самых важных химических соединений на Земле.

Что такое диоксид углерода

Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.

Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.

А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.

Свойства углекислого газа

Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.

Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).

Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.

CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.

Углекислый газ в природе: естественные источники

Углекислый газ в природе образуется из различных источников:

• Дыхание животных и растений.
  Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки . Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше.
• Вулканическая деятельность.
  Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают.
• Разложение органических веществ.
  Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.

Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.

Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.

Искусственные источники углекислого газа

Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:

• промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
• автомобильный транспорт.

Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.

Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.

CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.

Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.

Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.

Углекислый газ и мы: чем опасен СO2

Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.

Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.

Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.

Согласно выводам некоторых , уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически , мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.

И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.

Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.

Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от , который разрушает клетки нашего организма.

Углекислый газ в атмосфере Земли

В атмосфере нашей планеты всего около 0,04% CO2 (это приблизительно 400 ppm), а совсем недавно было и того меньше: отметку в 400 ppm углекислый газ перешагнул только осенью 2016 года. Ученые связывают рост уровня CO2 в атмосфере с индустриализацией: в середине XVIII века, накануне промышленного переворота, он составлял всего около 270 ppm.

Правообладатель иллюстрации AFP

Средний уровень содержания углекислого газа в атмосфере нашей планеты в 2015 году впервые за время наблюдений достиг критической отметки в 400 долей на миллион, сообщила Всемирная метеорологическая организация.

Критический уровень содержания диоксида углерода зафиксировала станция мониторинга воздуха, расположенная на Гавайях.

Как предполагают эксперты, содержание углекислого газа в атмосфере не опустится ниже 400 долей на миллион в течение всего 2016 года, а возможно, что и в ближайшие десятилетия.

Что это означает для нас с вами?

Ведущий программы "Пятый этаж" Александр Баранов обсуждает тему с директором программы "Климат и энергетика" Всемирного фонда дикой природы Алексе ем Кокорин ым и старшим научным сотрудником Института экологии растений и животных уральского отделения Российской академии наук Евгени ем Зиновьев ым .

А лександр Б аранов: 400 частей на миллион для простого человека, который не разбирается в климатических вопросах, но зато учил арифметику в школе, это очень мало. Так же мало, как 200, 100 или 500. Особенно, когда речь идет о газе без цвета и запаха. Почему вдруг так переполошились ученые?

А лексей Кокорин: CO2 - это один из газов, создающих парниковый эффект, второй после водяного пара, и главный газ, на концентрацию которого в атмосфере оказывает влияние человек.

И то, что человек не оказывает влияние на содержание водяного пара, не сильно облегчает дело, потому что влияние на содержание CO2 велико, и изотопным анализом доказано, что этот CO2 именно от сжигания топлива. Это много.

Число очень маленькое, но это на 30% больше, чем 50-60 лет назад. А до этого уровень был постоянен в течение долгого времени, имеются данные прямых измерений.

А.Б. : Ученые сейчас согласны с тем, что CO2 влияет на изменение климата, а не наоборот? Какое-то время назад некоторые ученые говорили, что на рост выброса углекислого газа влияет нагревание океана. А человек, по сравнению с океаном, выбрасывает намного меньше CO2 в атмосферу. Каков сейчас консенсус по этому поводу?

А.К. : Консенсус практически полный. Я упомянул изотопный анализ, потому что в прошлом, и это тоже доказано, сначала менялась температура, а потом концентрация CO2.

Это было в переходный период между ледниковыми периодами и в других случаях. Корреляция шла в такой последовательности. Здесь корреляция идет в другой последовательности. Но главное, есть доказательства изотопного анализа. Тут консенсус есть.

Е вгений З иновьев: Я не климатолог, я палеонтолог. У нас в институте мы наблюдаем на севере, в Арктике, повышение как содержания CO2, и это показано нашими коллегами дендрохронологами, так и сопутствующие изменения - это наступление границы леса. У нас проводится мониторинг ландшафтов северной части Западно-Сибирской равнины и Полярного и приполярного Урала, и на протяжении последних сорока лет северная граница леса смещается к северу.

Это еще не достигает границ, которые были в климатический оптимум голоцена, когда древесная растительность достигала среднего Ямала, но процесс идет в том направлении и опосредованно связан с потеплением климата. Древесные растения занимают постепенно территории, от которых они когда-то отступили.

То потепление, которое мы сейчас наблюдаем - не самое значительное, сейчас не самый теплый климат. Я могу сравнивать с недавним геологическим прошлым - последние 130-140 тысяч лет. Этот период называется Микулинское межледниковье, и тогда растения и теплолюбивые животные продвигались к северу гораздо дальше, чем сейчас.

В наше время, по объективным данным, пока еще такие уровни не достигнуты. Но то потепление было очень кратковременным, всего около 5 тысяч лет. Потом оно сменилось похолоданием, потом опять потеплением, и потом наступил длительный холодный период, зырянское оледенение, которое тоже делилось на более теплые и более холодные эпохи. Тогда начал формироваться скандинавский ледниковый щит.

А.Б. : То есть в ы говорите о похолодании в Средневековый период?

Е.З. : Это вы говорите про исторические времена, а я имею в виду более ранние границы. Это поздний плейстоцен.

А.Б. : А какие выводы из этого делать нам, неспециалистам? Противники теории глобального потепления, вызванного человеческой деятельностью, говорят, что мы просто находимся в периоде определенного цикла и с этим связаны различные колебания концентрации CO2.

Углекислый газ - пища для растений. В процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ, выделяют в атмосферу кислород, и чем выше содержание углекислого газа, тем активнее растения начинают его потреблять и тем быстрее они растут.

Е.З. : Развития древесной растительности не наблюдается, наоборот. В Северной Америке, южной Европе леса горят, лесная растительность деградирует, идет аридизация, осушение климата. Легкие планеты сокращаются.

А.Б. : А почему это происходит? По идее, они должны расширяться?

Е.З. : Климат - многовекторная система, могут быть разные факторы, которые мы не всегда можем учитывать. Существует точка зрения, что начнут таять ледники, что связано с потеплением климата, а это происходит.

Деградирует и Гренландский ледниковый щит, и в Арктике то высвободившееся большое количество пресной воды может изменить направление движения Гольфстрима. Тогда эта печка для Европы перестанет обогревать север Европы, и там снова начнется образование ледников. Это будет очень плохо.

Резкое потепление может дать толчок резкому похолоданию. Ледниковая шапка аккумулирует воду, начинается иссушение климата. Исчезают сплошные леса, образуются редкостойные леса. Климат становится сухой, холодный, континентальный, и он таким становится не только в Сибири, но и в Европе тоже.

Все очень сложно и взаимосвязано. Я не стал бы это упрощать, надо учитывать и современный фактор - увеличение выбросов CO2, связанное с промышленной деятельностью человека, с наличием большого количества производств, машин и так далее - с этим не поспоришь. Особенно в крупных мегаполисах, где сосредоточены большие производства.

Но другой вопрос, какие последствия это будет иметь. Человечество привыкло жить в определенных комфортных условиях. Если начнется увеличение или уменьшение уровня мирового океана, то начнутся катастрофы. Их может спровоцировать антропогенное воздействие. Человечество не настолько мало, чтобы не влиять на природную обстановку. Оно стало геологическим фактором, а не только биологическим, оно меняет более фундаментальные вещи в биосфере, в земной коре.

А.Б. : Допустим, человечество сможет сократить выброс CO2. Но это лишь один из факторов , и не самый большой. Может ли это что-то изменить, привести к какому-то резкому улучшению ситуации?

А.К. : Очень важно, с точки зрения физики атмосферы и океана, понимать, что происходит. Происходят два процесса: это процесс естественной изменчивости климата - солнце, самое наглядное, сложные периодические процессы в океане, Атлантическом, Тихом.

Есть и более изученные вещи - перетоки тепла из атмосферы в океан и обратно, которые носят цикличный характер. Эти циклические процессы накладываются на постоянное воздействие, которое носит линейный характер.

За XXI век ожидается повышение температуры в лучшем случае на два градуса, но реально - на три или три с половиной. И при этом циклически будут происходит похолодания и потепления, причем потепления - гораздо быстрее. И совершенно не очевидно, что увеличение числа опасных гидрологических явлений при понижении температуры станет меньше.

А.Б. : Это очень сложно понять человеку, который не занимается этой проблемой и в основном смотрит научно-популярные передачи, где эти вопросы примитивизируются, упрощаются, но простые аргументы действуют на сознание простого человека, который смотрит на это со стороны.

Когда ему дают график изменения температуры в XX веке и говорят: смотрите, пока человек особенно не влиял на атмосферу, температура поднималась, а когда он начал влиять, когда индустриализация была более мощной после 1940 до 1970 года, когда ситуация должна была ухудшиться, мы наблюдали похолодание.

На основе таких графиков люди говорят, что человек на самом деле не влияет, есть какие-то более мощные факторы, не зависящие от нас. Поэтому разговоры про роль человека в глобальном потеплении - миф, за которым стоят те, кому это выгодно.

Е.З. : Начитает срабатывать кумулятивный эффект, воздействие человека идет по нарастающей. На каком-то этапе оно может не проявляться, но потом, по мере увеличения концентрации CO2, парниковых газов, оно рано или поздно проявляется фактически по всему земному шару. Как в развитых районах, так и на севере, в Арктике.

Антропогенный фактор накладывается на факторы астрономические, связанные с орбитой движения Земли, цикличность сильно проявляется и так далее. И когда все друг на друга накладывается, могут произойти совершенно непредсказуемые события.

И антропогенное воздействие будет все увеличиваться, даже если будут введены ограничения на производство и так далее. Очень много выпускается автомобилей, которые загрязняют атмосферу очень сильно. И другие факторы. Они никуда не уйдут.

А травяная и древесная растительность не увеличивается, а, наоборот, происходит деградация лесного покрова.

А.Б. : Но мы видели и сообщения другого рода, что в Бразилии вдруг начали расти леса Амазонки.

Е.З. : Это есть, но вы посмотрите, что в Америке творится? На юго-западе, в Калифорнии? Там массовые лесные пожары. Нужно время, чтобы после пожара лес восстановился. После пожара несколько лет проходит, прежде чем лес начинает подрастать. А где сухо, он просто перестает расти. Лес превращается в степь, пустыню и так далее.

А.Б. : Это серьезные факторы, но для обыденного сознания трудно это совместить с его собственной деятельностью. Можно придерживаться теории, что деятельность человека - это последняя капля, которая может перевесить экологический баланс на фоне более серьезных факторов. Но когда говорят, что есть такой фактор, как пятна на Солнце, активизация Солнца, который представляет собой мощный источник энергии, по сравнению с которым вся наша деятельность - мелочь, даже сравнивать невозможно.

То же показывают графики - когда Солнце активно, температура повышается, а когда менее активно - понижается, все это коррелируется. Потом говорят, что все зависит от того, по какой орбите Земля движется. Если орбита эллиптическая - становится холоднее. И когда все это человеку говорят, он думает: ну что по сравнению с такими космическими явлениями наши несчастные выбросы в атмосферу. Как можно убедить человека, что мы своими действиями можем этот баланс нарушить?

Е.З. : Надо как-то убеждать, потому что это действительно фактор не последний. Например, леса горят и без человека - сухие грозы и так далее. Но человеческая деятельность этому способствует. Каждый должен начинать с себя. Люди должны понимать, что от них многое зависит.

Один человек может сказать: я буду делать, что считаю нужным, все равно от меня ничего не зависит. Но людей - миллионы, и если каждый так будет считать, от этого лучше не будет. Косность человеческого мышления существует, к сожалению.

А.Б. : Как убедить человека, что его машина, на которой он проедет лишние пять километров, тоже влияет на климат, даже на фоне того, что Земля на эллиптической орбите, а не на какой-то другой?

А.К. : Российские климатологи, и не только российские, задумывались, как это наглядно показать. Вероятные реакции Солнца лет через 15-20 с высокой вероятностью снизят температуру на земном шаре примерно на 0,25 градуса. А антропогенное воздействие - как минимум на два градуса. Так же было и в 30-40 годы ХХ века.

И еще характерная вещь такая: прогреваются и стратосфера, и тропосфера. То есть у вас как бы пленка парниковая, и, если греется над пленкой и под пленкой, значит - лампочка стала греть сильнее. А если под пленкой греется, а над пленкой холодает - значит, пленка стала толще. Вот как-то так наглядно можно попытаться объяснить.

А.Б. : Вы допускаете вероятность, что мы действительно находимся между двумя ледниковыми периодами и что-то произойдет, и начнется похолодание на Земле?

Е.З. : Ваш вопрос говорит о том, что мы с коллегой говорим плохо. Безусловно, мы находимся между двумя ледниковыми периодами, тем, который закончился примерно 300 тыс лет назад, и тем, который начнется через несколько тысяч лет - может быть 20, может быть, 100. Об этом мой коллега как климатолог знает лучше. Но это будет абсолютно точно. Мы говорим об иных временных масштабах. В этих масштабах влияние человека на глобальное потепление не может рассматриваться, это сотни тысяч лет.

А.Б. : То есть мы можем до этого похолодания не дожить?

Е.З. : К сожалению, точно не доживем до глобального похолодания, даже из наших правнуков никто не доживет. Будут ли периоды похолодания в течение XXI века? Да, наверное будут. Мы живем в эпоху наложения различных вариаций, в том числе солнечных, на глобальный тренд.

_____________________________________________________________

Загрузить подкаст передачи "Пятый этаж" можно .

Вячеслав Викторович Алексеев, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии географического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова. Специалист в области математического и физического моделирования геофизических систем.

Софья Валентиновна Киселева, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник той же лаборатории. Занимается физическим моделированием процессов переноса углекислого газа, проблемами современных изменений климата.

Надежда Ивановна Чернова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник той же лаборатории. Занимается экологическими аспектами применения солнечной энергии, проблемами рационального использования природных ресурсов.

В начале 1998 г. бывший президент Национальной академии наук США Ф.Зейтц представил на рассмотрение научной общественности петицию, призывающую правительства США и других стран отклонить подписание достигнутых в Киото в декабре 1997 г. соглашений об ограничении выбросов парниковых газов. К петиции прилагался информационный обзор под названием “Влияние на окружающую среду роста содержания диоксида углерода в атмосфере” . В нем содержался подбор опубликованных результатов научных исследований, призванный доказать не только отсутствие эмпирических данных, подтверждающих предсказываемое многими учеными будущее потепление климата, но и несомненный выигрыш для человечества от роста парниковых газов. В обзоре были выдвинуты следующие тезисы.

Наблюдаемый ныне рост СО 2 в атмосфере происходит после почти 300-летнего периода потепления. Поэтому этот рост может быть не результатом деятельности человека, а следствием естественного процесса - интенсификации выделения СО 2 океаном при увеличении температуры воды. Кроме того, по сравнению с ежегодным антропогенным поступлением в атмосферу углерода (5.5 Гт) его содержание даже в резервуарах подвижного фонда (в атмосфере - около 750 Гт, поверхностных слоях океана - 1000 Гт, околоземной биоте, включая почвы и детрит, - около 2 200 Гт) столь велико, что антропогенный фактор роста СО 2 в атмосфере трудно признать значимым.

Далее авторы обзора приводят многочисленные данные спутниковых измерений температуры нижней тропосферы (на высоте около 4 км) за период 1958-1996 гг. и отмечают, что начиная с 1979 г. наблюдается слабый отрицательный тренд средней глобальной температуры (–0.047°С за 10 лет). В США же за последние 10 лет приземная температура воздуха уменьшилась на 0.08°С.

В то же время данные метеостанций дают положительные тренды температур приземного слоя (+0.07°С за 10 лет). Расхождения в результатах приводят к тому, что моделирование будущих изменений климата, основанное на данных о росте температуры, приводит к неверным прогнозам. Обсуждая компьютерные модели парникового эффекта и потепления климата, авторы обзора подчеркивают, что климат - сложная, нелинейная динамическая система. Неопределенности влияния, например, океанических поверхностных течений, переноса тепла в океане, влажности, облачности и т.п., по мнению авторов, столь велики в сравнении с воздействием СО 2 , что модельные оценки современного температурного хода существенно расходятся с имеющимися эмпирическими данными. Многочисленные обратные связи климатической системы, неудовлетворительно отражаемые в моделях, также приводят к ошибкам в прогнозах и несоответствию с реальностью.

Критикуя качество данных наземного измерения температуры воздуха, авторы обзора ссылаются на тепловое воздействие урбанизированных территорий, которое искажает действительную картину взаимосвязи роста концентрации парниковых газов и изменений температуры атмосферы. В современных изменениях климата нет ничего необычного; это лишь естественные изменения, вызванные как внутренними земными вариациями, так и внешними - в частности, колебаниями солнечной активности. Спутниковые данные, полученные, правда, всего за четыре года (1993-1997), по утверждению авторов, не показывают каких-либо изменений уровня океана, как это предсказывают модели глобального потепления. Число сильных тропических ураганов в Атлантике за период 1940-1997 гг. и максимальная скорость ветра в них снизились, что также противоречит и идее глобального потепления, и модельным результатам.

Здесь следует подчеркнуть, что общепризнано существование более десятка климатообразующих факторов. Как наиболее существенные выделяются следующие:

В исследовании В.В.Клименко с коллегами было проанализировано воздействие этих факторов на радиационный баланс в пределах десятилетия и последнего столетия. При рассмотрении вековой изменчивости климата оказалось, что именно накопление парниковых газов в атмосфере определило произошедшее повышение среднеглобальной температуры на 0.5°C. Однако авторы подчеркивают, что объяснение нынешних и будущих изменений климата только антропогенным фактором покоится на весьма шатком фундаменте, хотя его роль со временем, безусловно, возрастает.

Определенный интерес представляет недавняя работа С.Корти с сотрудниками, в которой наблюдающееся потепление в Северном полушарии также связывается в основном с естественными изменениями в режимах циркуляции атмосферы . Правда, ее авторы подчеркивают, что этот факт не может служить доказательством отсутствия антропогенного воздействия на климат. Детальный модельный анализ роли тех же климатических факторов в повышении средней приземной температуры воздуха был проведен недавно английскими учеными . Их результаты показывают, что потепление атмосферы в первой половине XX в. (между 1910 и 1940 гг.) происходило в основном из-за колебания солнечной активности и в меньшей степени антропогенных факторов - парниковых газов и тропосферного сульфат-аэрозоля. Что касается периода 1946-1996 гг., то здесь естественные вариации солнечной и вулканической активности оказывают лишь второстепенное воздействие на климат по сравнению с антропогенным влиянием.

Влияние главных климатообразующих факторов на изменение средней глобальной приземной температуры. Оценки вкладов с указанием разбросов значений: парниковых газов и сульфат-аэрозолей (белые прямоугольники); солнечной активности (заполненные точками) и их совместного влияния (заштрихованные). Черными прямоугольниками показаны результаты инструментальных наблюдений. (Tett S.F.B., Stott P.A. et al. 1999.)

Анализ теплой биосферы мелового периода как аналога прогнозируемого потепления, проведенный Н.М.Чумаковым, показал, что воздействия основных климатообразующих факторов (помимо углекислого газа) недостаточно для объяснения потепления такого масштаба в прошлом . Парниковый эффект необходимой величины отвечал бы многократному увеличению содержания СО 2 в атмосфере. Толчком грандиозных климатических изменений в этот период развития Земли, вероятнее всего, стала положительная обратная связь между ростом температуры океанов и морей и увеличением концентрации атмосферной углекислоты.

Большое внимание в упомянутом обзоре уделено СО 2 как “удобрению”. Авторы приводят данные об ускорении роста растений при повышенном содержании углекислого газа в атмосфере. В частности, реакция молодых деревьев сосны, молодых апельсиновых деревьев, пшеницы на увеличение содержания СО 2 в окружающей среде в диапазоне от 400 до 800 ppm почти линейна и положительна. Отсюда авторы делают вывод о том, что эти данные можно легко перенести на различные уровни обогащения СО 2 и на различные виды растений. К воздействию возрастающего количества углекислого газа в атмосфере авторы относят и увеличение массы лесов США (на 30% с 1950 г.). Указывается, что больший стимулирующий эффект рост СО 2 производит на растения, произрастающие в более засушливых (стрессовых) условиях. А интенсивный рост растительных сообществ, как утверждают авторы обзора, неизбежно приводит к увеличению суммарной массы животных и оказывает положительное воздействие на биоразнообразие в целом. Отсюда следует оптимистичный вывод: “В результате увеличения атмосферного СО 2 мы живем во все более и более благоприятных условиях окружающей среды. Наши дети будут наслаждаться жизнью на Земле с гораздо большим количеством растений и животных. Это замечательный и непредвиденный подарок от индустриальной революции”.

Все же нам представляется, что многие из прилагаемых к петиции данных достаточно противоречивы.

Вместо потепления - похолодание?

Безусловно, колебания уровня СО 2 в атмосфере имели место и в прошлые эпохи, однако никогда эти изменения не происходили столь быстро. Но если в прошлом климатическая и биологическая системы Земли в силу постепенности изменений состава атмосферы “успевали” перейти в новое устойчивое состояние и находились в квазиравновесии, то в современный период при интенсивном, чрезвычайно быстром изменении газового состава атмосферы все земные системы выходят из стационарного состояния. И если даже встать на позицию авторов, отрицающих гипотезу глобального потепления, нельзя не отметить, что последствия такого “выхода из квазистационара”, в частности климатические изменения, могут быть самыми серьезными.

Кроме того, согласно некоторым прогнозам, после достижения максимума концентрации СО 2 в атмосфере она начнет падать из-за уменьшения антропогенных выбросов, поглощения углекислоты Мировым океаном и биотой. В этом случае растениям вновь придется адаптироваться к изменившейся среде обитания.

В обзоре безусловно верно замечено, что при моделировании последствий роста СО 2 и других парниковых газов в атмосфере, а также в современных теоретических построениях не учитываются многие обратные связи климатических систем, что приводит к неверным прогнозам и даже, как уверяют авторы, к ошибочности самой идеи глобального потепления. Однако, по нашему мнению, это должно приводить не к отрицанию возможного потепления климата, а к вероятности возникновения непредсказуемых климатических последствий (например, противоположного эффекта - похолодания в ряде районов земного шара).

В связи с этим чрезвычайно интересны некоторые результаты математического моделирования сложных последствий возможного изменения климата Земли. Эксперименты с трехмерной моделью объединенной системы океан-атмосфера, проведенные американскими исследователями, показали, что в ответ на потепление термохалинная северо-атлантическая циркуляция (Северо-Атлантическое течение) замедляется . Критическая величина концентрации СО 2 , вызывающая такой эффект, лежит между двумя и четырьмя доиндустриальными величинами содержания СО 2 в атмосфере (она равна 280 ppm, а современная концентрация составляет около 360 ppm).

Используя более простую модель системы океан-атмосфера, специалисты провели детальный математический анализ описанных выше процессов . Согласно их расчетам, при росте концентрации углекислого газа на 1% в год (что соответствует современным темпам) Северо-Атлантическое течение замедляется, а при содержании СО 2 , равном 750 ppm, наступает его коллапс - полное прекращение циркуляции. При более медленном росте содержания углекислоты в атмосфере (и температуры воздуха) - например на 0.5% в год, при достижении концентрации 750 ppm циркуляция замедляется, но затем медленно восстанавливается. В случае ускоренного роста парниковых газов в атмосфере и связанного с ним потепления Северо-Атлантическое течение разрушается при более низких концентрациях СО 2 - 650 ppm. Причины изменения течения в том, что потепление наземного воздуха вызывает рост температуры поверхностных слоев воды, а также повышение давления насыщенного пара в северных районах, а значит, и усиленную конденсацию, из-за чего возрастает масса распресненной воды на поверхности океана в Северной Атлантике. Оба процесса приводят к усилению стратификации водяного столба и замедляют (или вовсе делают невозможным) постоянное формирование холодных глубинных вод в северной части Атлантики, когда поверхностные воды, охлаждаясь и становясь более тяжелыми, опускаются в придонные области и затем медленно перемещаются к тропикам.

Исследования такого рода последствий потепления атмосферы, проведенные недавно Р.Вудом с сотрудниками, дает еще более интересную картину возможных событий. Помимо уменьшения общего атлантического переноса на 25% при современных темпах роста парниковых газов произойдет “отключение” конвекции в Лабрадорском море - одном из двух северных центров формирования холодных глубинных вод. Причем это может иметь место уже в период от 2000 до 2030 г.

Эволюция максимального погружения меридионального потока Северо-Атлантического течения (результаты расчетов по пяти сценариям глобального потепления). I - концентрация СО 2 достигает 560 ppm, поток слегка ослабевает, затем восстанавливается; II, IV - концентрация СО 2 - 650 и 750 ppm, скорость роста СО 2 1% в год, циркуляция разрушается; III, V - 650 и 750 ppm, скорость роста 0.5% в год, поток ослабевает, затем восстанавливается на более низком уровне.

Указанные колебания Северо-Атлантического течения могут повлечь за собой весьма серьезные последствия. В частности, при отклонении распределения потоков тепла и температуры от современного в атлантическом регионе Северного полушария средние температуры приземного воздуха над Европой могут существенно понизиться. Более того, изменения в скорости Северо-Атлантического течения и нагрева поверхностных вод могут уменьшить поглощение океаном СО 2 (по расчетам упомянутых специалистов - на 30% при удвоении концентрации углекислого газа в воздухе), что следует учитывать и в прогнозах будущего состояния атмосферы, и в сценариях выбросов парниковых газов. Существенные изменения могут произойти и в морских экосистемах, включая популяции рыб и морских птиц, зависящих не только от специфических климатических условий, но и от питательных веществ, которые выносятся к поверхности холодными океаническими течениями. Здесь мы хотим подчеркнуть чрезвычайно важный момент, упомянутый выше: последствия роста парниковых газов в атмосфере, как видно, могут быть гораздо сложнее, чем однородное потепление приземной атмосферы.

Возможное нарушение экосистем

При моделировании обмена углекислым газом приходится учитывать и воздействие на газоперенос состояния границы раздела океана и атмосферы . В течение ряда лет в лабораторных и натурных экспериментах мы исследовали интенсивность переноса СО 2 в системе вода-воздух. Рассматривалось воздействие на газообмен ветроволновых условий и дисперсной среды, образующейся вблизи границы раздела двух фаз (брызги над поверхностью, пена, воздушные пузырьки в толще воды). Оказалось, что скорость газопереноса при изменении характера волнения от гравитационно-капиллярного к гравитационному существенно увеличивается. Этот эффект (помимо повышения температуры поверхностного слоя океана) может внести дополнительный вклад в поток углекислоты между океаном и атмосферой. С другой стороны, существенным стоком СО 2 из атмосферы являются осадки, интенсивно вымывающие, как показали наши исследования, помимо других газовых примесей и углекислый газ. Расчеты с использованием данных о содержании растворенного углекислого газа в дождевой воде и годовой сумме осадков показали, что в океан ежегодно с дождями может поступать 0.2-1 Гт СО 2 , а общее количество углекислого газа, вымываемого из атмосферы, может достигать величины 0.7-2.0 Гт.

Возвращаясь к тезисам авторов приложения к петиции, отметим, что наиболее спорными представляются данные о благотворности роста СО 2 для зеленых растений. Дело в том, что существует целый ряд научных данных, согласно которым повышение концентрации СО 2 в атмосфере даже без учета глобального потепления способно привести к значительному изменению структуры и функционирования экосистем, что может быть неблагоприятно для растений . Положительная реакция на повышенное содержание углекислого газа в воздухе, наблюдаемая у отдельного растения, вовсе не обязательно означает, что будет иметь место усиленный рост растительных сообществ в целом.

Соображения авторов о роли СО 2 как стимулятора роста коренится в деталях фотосинтеза. Действительно, повышение концентрации углекислого газа может интенсифицировать этот процесс и, следовательно, способствовать росту растения. Пользу от этого извлекают так называемые С 3 -растения, к которым относятся практически все деревья и многие из основных сельскохозяйственных культур: рис, пшеница, картофель, бобовые. У С 3 -растений на первой стадии фиксации молекула СО 2 связывается с рибулозодифосфатом, содержащим 5-углеродный сахар. В результате реакции, происходящей под действием фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы, образуется короткоживущее нестабильное соединение, включающее 6-углеродный сахар. Оно распадается на два производных, которые содержат по три атома углерода - отсюда и название “С 3 -растения”. С диоксидом углерода за активный центр рибулозодифосфаткарбоксилазы конкурирует кислород атмосферного воздуха. Если побеждает О 2 , растение теряет энергию, так как во время утилизации кислорода не происходит фиксации СО 2 . По мере же увеличения концентрации углекислого газа вероятность его “выигрыша” в конкуренции с О 2 за связывание с активным центром фермента повышается. Действительно, в ряде экспериментов, когда концентрация СО 2 устанавливалась на уровне 600 ppm, фотореспирация снижалась на 50%, а ее ограничение означает, что растение может использовать больше своей энергии на построение тканей. Однако у этих растений в условиях возросшей концентрации СО 2 повышенный фотосинтез наблюдается в начальной стадии экспериментов, но после временной активации наступает его торможение. Транспортная система растения полигенна, зависит от многих факторов (энергетических, гормональных и др.) и не может быстро перестроиться. Поэтому при длительном воздействии на растение СО 2 в условиях повышенной концентрации фотосинтез снижается из-за избыточного накопления крахмала в хлоропластах .

Но тем не менее в практике доказано значительное увеличение роста и накопления биомассы у растений, выращенных при повышенной концентрации диоксида углерода, хотя со временем интенсивность фотосинтеза падает, приближаясь к тому, что наблюдается у растений, живущих в атмосфере с нормальным газовым составом. Это несоответствие находит объяснение в регуляторном действии углекислого газа на ростовую функцию растения. Длительное выдерживание растения при высокой концентрации СО 2 сопровождается увеличением площади листьев, стимуляцией роста побегов второго порядка, относительным возрастанием доли корней и запасающих органов в растении, усилением клубнеобразования. Ростовая функция усиливается за счет формирования нового фотосинтетического аппарата. Это свидетельствует о “двойной” роли СО 2 как субстрата в процессе фотосинтеза и как регулятора ростовых процессов. При повышении уровня углекислого газа в атмосфере устанавливается новое стационарное состояние системы, соответствующее новому уровню углекислоты, что и приводит к росту урожая преимущественно за счет увеличения объема всей фотосинтетической системы и в меньшей степени за счет интенсивности фотосинтеза на единицу площади листа.

Известным приемом повышения интенсивности и продуктивности фотосинтеза служит увеличение концентрации углекислоты в теплицах. Этот метод позволяет повысить прирост биомассы. Однако изменение концентрации СО 2 влияет на состав конечных продуктов фотосинтеза: было обнаружено, что при высоких концентрациях 14 СО 2 14 С включался преимущественно в сахара, а при низкой - в аминокислоты (серин, глицин и др.).

Поскольку атмосферный углекислый газ частично поглощают осадки и поверхностные пресные воды, в почвенном растворе повышается содержание СО 2 и как следствие этого происходит подкисление среды. В опытах, проведенных в нашей лаборатории, была предпринята попытка исследовать особенности воздействия растворенного в воде СО 2 на накопление биомассы растениями. Проростки пшеницы выращивались на стандартных водных питательных средах, в которых в качестве дополнительных источников углерода, помимо атмосферного, служили растворенный молекулярный СО 2 и бикарбонат-ион в различных концентрациях. Это достигалось варьированием времени насыщения водного раствора газообразным углекислым газом. Оказалось, что первоначальное повышение концентрации СО 2 в питательной среде приводит к стимулированию наземной и корневой массы растений пшеницы. Однако при 2-3-кратном превышении над нормальным содержания растворенного углекислого газа наблюдалось торможение роста корней растений с изменением их морфологии. Возможно, при значительном подкислении среды происходит уменьшение ассимиляции других питательных веществ (азота, фосфора, калия, магния, кальция). Таким образом, опосредованное воздействие повышенной концентрации СО 2 должно приниматься во внимание при оценке их влияния на рост растений.

Приведенные в приложении к петиции данные об интенсификации роста растений различных видов и возраста оставляют без ответа вопрос об условиях обеспеченности объектов изучения биогенными элементами. Следует подчеркнуть, что изменение концентрации СО 2 должно быть строго сбалансировано с потреблением азота, фосфора, других питательных веществ, света, воды в продукционном процессе без нарушения экологического равновесия. Так, усиленный рост растений при высоких концентрациях СО 2 наблюдался в среде, богатой питательными веществами. Например, на заболоченных землях в эстуарии Чесапикского залива (юго-запад США), где произрастают в основном С 3 -растения, увеличение СО 2 в воздухе до 700 ppm приводило к интенсификации роста растений и увеличению плотности их произрастания. Анализ более 700 агрономических работ показал, что при больших концентрациях СО 2 в среде, урожай зерновых в среднем был больше на 34% (там, где в почву вносилось достаточное количество удобрений и воды - ресурсов, имеющихся в изобилии только в развитых странах). Чтобы поднять продуктивность сельскохозяйственных культур в условиях роста углекислоты в воздухе, очевидно понадобится не только значительное количество удобрений, но и средств защиты растений (гербициды, инсектициды, фунгициды и т.д.), а также обширные ирригационные работы. Резонно опасаться, что стоимость этих мероприятий и последствия для окружающей среды окажутся слишком существенными и несоразмерными.

Исследования выявили также роль конкуренции в экосистемах, которая приводит к снижению стимулирующего эффекта высоких концентраций СО 2 . Действительно, саженцы деревьев одного вида в умеренном климате (Новая Англия, США) и тропиках росли лучше при высокой концентрации атмосферного СО 2 , однако при совместном выращивании саженцев разных видов продуктивность таких сообществ при тех же условиях не повышалась. Вероятно, конкуренция за питательные вещества сдерживает реакцию растений на повышение углекислого газа.

Высокое содержание СО 2 в воздухе может быть неблагоприятным для так называемых С 4 -растений, первые продукты фотосинтеза которых - соединения из четырех атомов углерода: яблочная и аспарагиновая кислоты, оксалоацетат. К этому классу относятся многие травы сухих, жарких тропических и субтропических областей, сельскохозяйственные культуры - кукуруза, сорго, сахарный тростник и др. У С 4 -растений имеется добавочный механизм карбоксилирования - своеобразный насос, концентрирующий СО 2 вблизи активного центра фермента, позволяющий этим растениям хорошо расти при обычных концентрациях диоксида углерода. У С 4 -растений в обычных условиях энергозатраты на фотореспирацию значительно ниже и эффективность фотосинтеза поэтому выше, чем у С 3 -растений. Примерно то же происходит и при фотосинтезе, характерном для типичных суккулентов. Его называют САМ-фотосинтезом (Crassulacean Acid Metabolism). САМ-растения подобно С 4 -растениям используют и С 3 , и С 4 -пути фотосинтеза, но отличаются от С 4 -растений тем, что для них характерно разделение этих путей только во времени, но не в пространстве, как у С 4 -растений.

Таким образом, с увеличением концентрации углекислоты С 3 -растения оказываются в более выгодном положении, чем С 4 - и САМ-растения, а это в свою очередь может иметь весьма серьезные последствия. Многие С 4 -растения станут редкими, или им грозит вымирание. В агроэкосистемах при выращивании С 4 -растений, например кукурузы или сахарного тростника, повышенная концентрация СО 2 может привести к падению их продуктивности, преимущество же получат сорняки, которые представлены в основном С 3 -растениями. В результате возможно значительное снижение урожая.

В случае потепления усиленный рост растений, при котором поглощается атмосферный диоксид углерода, не может компенсировать ускоренного разложения органических веществ. Это особенно важно, так как именно в высокоширотных местообитаниях, таких как тундра, ожидается наибольший рост температуры. В зоне вечной мерзлоты при таянии льда все больше торфа будет подвергаться воздействию микроорганизмов, разлагающих органическое вещество . Этот процесс в свою очередь приведет к большему выделению СО 2 и СН 4 в атмосферу. По оценкам, при росте летней температуры в тундре на 4°С в атмосферу дополнительно выделится до 50% углерода из торфа, несмотря на более интенсивный рост растений. В этом поясе сама притундровая растительность - важный климатообразующий фактор, поэтому при потеплении будет иметь серьезные последствия сдвиг границы леса на север. Изменится структура кормовой базы: на смену лишайникам и мхам, тяготеющим к низким температурам, придет кустарниковая растительность, непригодная для оленей. Кроме того, увеличение высоты снежного покрова неблагоприятным образом скажется на выживаемости появляющегося в это время молодняка.

Конкурентное взаимовлияние растений при ограниченных запасах питательных веществ будет сказываться не только на природных экосистемах, но и на экосистемах, создаваемых человеком. Поэтому сомнителен тезис, что будущее повышение уровня СО 2 в атмосфере приведет к более богатым урожаям и, как следствие этого, - к увеличению продуктивности животных.

Изучение адаптивной стратегии и реакции растений на колебания основных факторов, влияющих на изменение климата и характеристики окружающей среды, позволило уточнить некоторые прогнозы. Еще в 1987 г. был подготовлен сценарий агроклиматических последствий современных изменений климата и роста СО 2 в атмосфере Земли для Северной Америки . Согласно проведенным оценкам, при увеличении концентрации СО 2 до 400 ppm и росте средней глобальной температуры у земной поверхности на 0.5°С урожайность пшеницы в этих условиях увеличится на 7-10%. Но рост температур воздуха в северных широтах особенно проявится в зимнее время и вызовет чрезвычайно неблагоприятные частые зимние оттепели, которые могут привести к ослаблению морозостойкости озимых культур, вымерзанию посевов и повреждению их ледяной коркой. Прогнозируемое увеличение теплого периода вызовет необходимость селекции новых сортов с более продолжительным вегетационным периодом.

Что касается прогнозов урожайности основных сельскохозяйственных культур для России, то происходящий рост средних приземных температур воздуха и рост СО 2 в атмосфере, казалось бы, должны иметь положительный эффект. Воздействие только роста углекислого газа в атмосфере может обеспечить рост продуктивности ведущих сельскохозяйственных культур - С 3 -растений (хлебных злаков, картофеля, свеклы и др.) - в среднем на 20-30% , тогда как для С 4 -растений (кукурузы, проса, сорго, амаранта) этот рост незначителен . Однако потепление, очевидно, повлечет за собой снижение уровня атмосферного увлажнения примерно на 10%, что осложнит земледелие особенно в южной части Европейской территории, в Поволжье, в степных районах Западной и Восточной Сибири. Здесь можно ожидать не только снижения сбора продукции с единицы площади, но и развития эрозионных процессов (особенно ветровых), ухудшения качества почв, в том числе потери ими гумуса, засоления, опустынивания значительных территорий. Было установлено, что насыщение приземного слоя атмосферы толщиной до 1 м избытком СО 2 может откликнуться “эффектом пустыни”. Этот слой поглощает восходящие тепловые потоки, поэтому в результате его обогащения диоксидом углерода (в 1.5 раза в сравнении с нынешней нормой) локальная температура воздуха непосредственно у земной поверхности станет на несколько градусов выше средней температуры. Интенсивность испарения влаги из почвы увеличится, что приведет к ее иссушению . Из-за этого в целом по стране может снизиться производство зерна, кормов, сахарной свеклы, картофеля, семян подсолнечника, овощей и т.д. В результате изменятся пропорции между размещением населения и производством основных видов сельскохозяйственной продукции.

Наземные экосистемы, таким образом, весьма чувствительны к увеличению СО 2 в атмосфере, причем, поглощая избыточный углерод в процессе фотосинтеза, в свою очередь способствуют и росту атмосферного углекислого газа. Не менее важную роль в формировании уровня СО 2 в атмосфере играют процессы почвенного дыхания. Известно, что современное потепление климата вызывает усиленное выделение неорганического углерода из почв (особенно в северных широтах). Модельные расчеты , проведенные с целью оценки отклика наземных экосистем на глобальные изменения климата и уровня СО 2 в атмосфере, показали, что в случае только роста СО 2 (без климатических изменений) стимуляция фотосинтеза уменьшается при высоких значениях СО 2 , но выделение углерода из почв растет по мере его аккумуляции в растительности и почвах. Если содержание СО 2 в атмосфере стабилизируется, чистая продукция экосистем (результирующий поток углерода между биотой и атмосферой) быстро падает до нуля, так как фотосинтез компенсируется дыханием растений и почв. Ответом наземных экосистем на климатические изменения без воздействия роста СО 2 , согласно этим расчетам, может стать уменьшение глобального потока углерода из атмосферы в биоту из-за усиления дыхания почв в северных экосистемах и уменьшения чистой первичной продукции в тропиках в результате падения влагосодержания почв. Этот результат подтверждается оценками, согласно которым воздействие потепления на дыхание почв превалирует над воздействием его на рост растений и уменьшает почвенный запас углерода. Совместное воздействие глобального потепления и роста СО 2 в атмосфере может увеличить глобальную чистую продукцию экосистем и сток углерода в биоту, однако значительное возрастание почвенного дыхания может компенсировать этот сток в зимний и весенний периоды. Немаловажно, что эти прогнозы реакции наземных экосистем существенно зависят от видового состава растительных сообществ, обеспеченности питательными веществами, возраста древесных пород и значительно варьируют в пределах климатических зон.

* * * Данные, представленные в приложении к петиции, имели целью, как указывалось, предотвратить принятие документа, выработанного на международной встрече в Киото 1997 г. и открытого для подписания с марта 1998 г. по март 1999 г. Как показали итоги встречи в Буэнос-Айресе (ноябрь 1998г.), вероятность подписания этого документа рядом индустриально развитых государств, и в первую очередь США, практически отсутствует. В связи с этим возникает необходимость усовершенствования стратегии в решении проблемы глобальных изменений климата.

Вице-директор Института наблюдений за миром (The World Watch Institute) К.Флавин считает необходимым элементом дальнейшего движения - создание инициативной группы. В нее войдут страны (в частности, Европы и Латинской Америки), подписавшие протокол в Киото, крупнейшие города, “конструктивно мыслящие корпорации и фирмы” (“Бритиш Петролиум”, “Энрон Корпорейшен”, “Роял Дойч Шелл” и др.), активно поддерживающие ограничение эмиссии парниковых газов и включившиеся в процесс ограничения их выбросов на основе торговли эмиссиями.

По нашему мнению, важным вкладом в решение этой проблемы могло бы стать внедрение энергосберегающих технологий и использование возобновляемых источников энергии.

Литература

1 Robinson A.B., Baliunas S.L., Soon W., Robinson Z.W. Enviromental Effects of Increased Atmospheric Carbon Dioxide. Петиция вместе с обзором рассылалась в научно-исследовательские институты и отдельным ученым с просьбой подписать ее и в дальнейшем распространять среди коллег. Экземпляр петиции и обзора на русском и английском языке имеется в редакции “Природы”.

2 Подробнее см.: Сидоренков Н.С. Межгодовые колебания в системе атмосфера-океан-Земля //Природа. 1998. №7. С.26-34.

3 Клименко В.В., Клименко А.В., Снытин С.Ю., Федоров М.В. // Теплоэнергетика. 1994. №1. С.5-11.

4 Corti S., Molteni F., Palmer T.N. // Nature. 1999. V.398. №6730. P.799-802.

5 Tett S.F.B., Stott P.S., Allen M.R., Ingram W.J., Mitchell J.F.B. // Nature. 1999. V.399. №6736. P.569-572.

16 Мокроносов А.Т. Фотосинтез и изменение содержания СО 2 в атмосфере // Природа. 1994. №7. С.25-27.

17 Скурлатов Ю.И. и др. Введение в экологическую химию. М., 1994. С.38.

18 Романенко Г.А., Комов Н.В., Тютюнников А.И. Изменение климата и возможные последствия этого процесса в сельском хозяйстве // Земельные ресурсы России, эффективность их использования. М., 1995. С.87-94.

19 Mingkui C., Woodward F. I. // Nature. 1998. V.393. №6682. P.249-252.

ЖЕНЕВА, 24 окт - РИА Новости, Елизавета Исакова. Усредненная концентрация углекислого газа в атмосфере Земли выросла до рекордной отметки в 2015-2016 годах, достигнув существенного значения в 400 частей на миллион, говорится в ежегодном Бюллетене Всемирной метеорологической организации (ВМО) по парниковым газам, опубликованном в понедельник.

Согласно данным ВМО, уровни CO2 ранее достигали пороговой отметки в 400 частей на миллион в определенные месяцы года и в определенных точках планеты, однако никогда прежде этот уровень не наблюдался в глобальном среднем масштабе за целый год. По прогнозам станции мониторинга парниковых газов на Мауна-Лоа (Гавайи), концентрации CO2 останутся на уровне выше 400 частей на миллион в течение всего 2016 года, и не опустятся ниже этой отметки в течение жизни многих поколений.

Причиной такого скачка СО2 метеорологи называют мощное явление Эль-Ниньо, которое послужило толчком для развития засух в тропических регионах и уменьшению способности лесов, растительности и океанов поглощать углекислый газ. Эти поглотители в настоящее время вбирают в себя примерно половину выбросов CO2, однако существует риск их насыщения, что приведет к увеличению доли выбрасываемой двуокиси углерода, которая остается в атмосфере.

Помимо сокращения потенциала растительности поглощать CO2, Эль-Ниньо также привел к увеличению объема выбросов углекислого газа в результате лесных пожаров. Объем выбросов CO2 в экваториальной Азии, где в августе-сентябре 2015 года в Индонезии наблюдались масштабные лесные пожары, был более чем вдвое выше средних значений за 1997-2015 годы.

"Без решения проблемы выбросов CO2 мы не сможем решить проблему изменения климата и удержать повышение температуры на уровне ниже 2 °С в сравнении со значениями доиндустриального периода. В этой связи крайне важно, чтобы Парижское соглашение действительно вступило в силу со значительным опережением графика 4 ноября, а также чтобы мы ускорили его осуществление", — заявил генеральный секретарь ВМО Петтери Таалас, комментируя данные, опубликованные в бюллетене ВМО.

На двуокись углерода приходится около 65 % от общего объема радиационного воздействия долгоживущих парниковых газов. Уровень концентрации СО2 в доиндустриальный уровень составлял 278 частей на миллион. Рост среднегодовых концентраций CO2 в 2015 году составил 144 % от доиндустриальных уровней, достигнув отметки в 400 частей на миллион. Прирост CO2 с 2014 года по 2015 года был больше, чем в среднем за предыдущие 10 лет.

Вторым наиболее важным долгоживущим парниковым газом является метан. На него приходится примерно 17 % вклада в радиационное воздействие. В настоящее время его концентрация составляет 256 % от доиндустриального уровня. Концентрация в атмосфере третьего парникового газа — закиси азота - в прошлом году составила около 328 частей на миллиард, что является 121 % от доиндустриальных уровней. Закись азота также играет важную роль в разрушении стратосферного озонового слоя, который защищает нас от пагубного воздействия ультрафиолетовых солнечных лучей.