4. Углерод в морской воде

4.1. Полное содержание углерода и щёлочность

Как показали исследования, содержание суммарного неорганического углерода в океане в 1983 году более, чем в 50 раз превышало содержание  в атмосфере. Кроме того, в океане находятся значительные количества растворённого органического углерода. Вертикальное распределение не является однородным, его концентрации в глубинных слоях океана выше, чем в поверхностных. Наблюдается также увеличение концентрации от довольно низких значений в глубинных водах Северного Ледовитого океана к более высоким значениям в глубинных водах Атлантического океана, к ещё более высоким в Южном и Индийском океанах до максимальных В Тихом океане. Вертикальное распределение щёлочности очень похоже на распределение , однако пределы изменений щёлочности значительно меньше и составляют примерно 30% изменений . Интересно отметить, что поверхностные концентрации были бы на примерно на 15% выше, если бы океаны были хорошо перемешаны, что в свою очередь означало бы, что концентрация  в атмосфере должна быть около 700 млн . Наличие вертикальных градиендов (так же как и щёлочности) в океанах оказывает существенное влияние на концентрации атмосферного  .

4.2. Фотосинтез, разложение и растворение органического вещества.

Деятельность морской биоты практически полностью ограничена поверхностными слоями океана, где происходит интенсивный фотосинтез в фотической зоне и бактериальное разложение, которое сосредоточено главным образом также в верхнем стометровом слое океана. По-видимому, только около 10% первичной продукции в виде мёртвой органики в основном в форме фекальных пеллет и остатков организмов достигает более глубоких слоёв океана, и, вероятно, около 1% этого вещества откладывается на океаническом дне. Полная первичная продуктивность океана составляет около г С/год, но скорость фотосинтеза на единицу площади значительно изменяется: от 0,5 г

С/(м  сутки) и более в зонах интенсивного апвеллинга до менее 10% этого значения в пустынных областях океана, которые характеризуются даунвеллингом и недостатком питательных веществ. Фотосинтез зависит от доступного количества питательных веществ. Везде, где достаточно света, питательные вещества расходуются быстро. Отсутствие азота и фосфора чаще всего лимитирует скорость образования первичной продукции. Однако в высоких широтах, особенно в Южном океане, наличие сравнительно больших концентраций как азота, так и фосфора в поверхностных водах указывает на то, что какой-то другой фактор (вероятно, освещённость) лимитирует первичную продуктивность.

В процессе образования первичной продукции, включающей как органические, так и неорганические соединения углерода, концентрация уменьшается. Влияние этого процесса на щёлочность может быть различным. Каждый использованный при образовании органического вещества микромоль углерода увеличивает щёлочность примерно на 0,16 мкэкв, а когда углерод используется для образования , она уменьшается на 2 мкэкв. Таким образом, различия в пространственном распределении и щёлочности содержат информацию об относительных значениях продукции и разложения или растворения органического и неорганического вещества в океане. Несомненно, что увеличение концентрации атмосферного создаёт поток из атмосферы в океан, который в свою очередь должен был изменить доиндустриальное распределение в верхних слоях океана.

4.3. С в океане.

Распределение в растворённом неорганическом углероде во всех океанах было получено в ходе экспедиций по программе GEOSECS в 1972-1978 годах. Оказалось, что максимальные значения концентрации в поверхностных водах океана пришлись на начало 1970-х годов. Имеется также небольшое число данных (в основном для глубинных слоёв океана) о значениях концентрации в растворённом органическом углероде. Они оказались очень низкими. Это даёт основание считать, что расворённый органический углерод в основном состоит из устойчивых соединений. Легко окисляемые вещества (такие, как сахара и белки) являются важным источником энергии.

4.4. Донные осадки океана

Ежегодно около г С откладывается на дне океана, часть этих отложений представляет собой органический углерод, а другая часть - . Органический углерод является основным источником энергии для организмов, обитающих на дне моря, и только малая его часть захороняется в осадках, исключение составляют прибрежные зоны и шельфы. В некоторых ограниченных областях (например, в некоторых районах Балтийского моря) содержание кислорода в придонных водах может быть очень низким, соответственно уменьшается скорость окисления и значительные количества органического углерода захороняются в осадках. Области с бескислородными условиями увеличиваются вследствие загрязнения прибрежных вод, и в последние годы, вероятно, количество легко окисляемого органического вещества также увеличилось. Выше лизокнина океанические воды пересыщены по отношению к , уровень лизокнина в Атлантическом океане расположен на глубине 4000 м , а в Тихом - всего лишь на глубине 1000 м . Над лизокнином не происходит сколько-нибудь заметного растворения , в то время как на больших глубинах его растворение приводит к уменьшению выпадения в осадок, а ниже глубины карбонатной компенсации осаждения не происходит совсем. Так как толщина верхнего осадочного слоя, в котором происходит перемешивание осадков организмами, живущими на дне океана (биотурбация), составляет примерно 10 см , значительное количество углерода ( г) в форме медленно обменивается с неорганическим углеродом морской воды, главным образом на глубине лизокнина.

Содержание изотопа в океанических осадках довольно быстро убывает с глубиной, что даёт возможность определить скорость осадконакопления (она значительно изменялась со времени последнего оледенения). Тем не менее полное содержание в осадках мало по сравнению с его содержанием в атмосфере, биосфере и океанах.

4.5. Процессы переноса в океанах

Вследствие буферных свойств карбонатной системы, изменение концентрации растворённого суммарного неорганического углерода в морской воде, необходимое для достижения состояния равновесия с возрастающей концентрацией атмосферного углекислого газа, мало, и равновесное состояние между атмосферным и растворённым в поверхностных водах устанавливается быстро. Роль океана в глобальном углеродном цикле определяется главным образом скоростью обмена вод в океане.

Поверхностные слои океана довольно хорошо перемешаны вплоть до верхней границы термоклина, т.е. до глубины около 75 м в области широт примерно 45 с. - 45 ю. В более высоких широтах зимнее охлаждение вод приводит к перемешиванию до значительно больших глубин, а в ограниченных областях и в течение коротких интервалов времени перемешивание вод распространяется до дна океанов (как, например, в Гренландском море и море Уэдделла). Кроме того, из областей основных течений в широтном поясе 45-55 (Гольфстрим в Северной Атлантике, Куросио в северной части Тихого океана и Антарктическое циркумполярное течение) происходит крупномасштабный перенос холодных поверхностных вод в область главного термоклина (глубина 100- 1000 м ). В слое термоклина происходит также вертикальное перемешивание. Оба процесса играют важную роль при переносе углерода в океане.

Между углекислым газом в атмосфере и растворённым неорганическим углеродом в поверхностных слоях морской воды равновесие устанавливается примерно в течение года (если пренебречь сезонными изменениями). Растворённый неорганический углерод переносится вместе с водными массами из поверхностных вод в глубинные слои океана. При движении водной массы его содержание обычно возрастает за счёт поступления углекислого газа при разложении и растворении детрита, опускающегося из поверхностного слоя океана. Возникающее в результате увеличение содержания суммарного растворённого неорганического углерода можно вычислить, принимая во внимание сопутствующий рост содержания питательных веществ и щёлочности. Однако, таким способом нельзя достаточно точно определить значения концентрации для времени, когда происходило образование глубинных вод. Как было отмечено ранее, стационарное распределение в океанах обеспечивает примерный баланс между переносом, направленным в глубину (поток детрита), и переносом, направленным к поверхности (перемешивание и апвеллинг из глубоких слоёв с большими концентрациями ). При поглощении антропогенного океаном поток растворённого неорганического углерода из глубинных слоёв к поверхностным уменьшается из-за повышения концентрации в поверхностных слоях океана, но при этом направленный вниз поток детрита остаётся неизменным. Справедливость этого предположения подтверждает тот факт, что первичная продуктивность в поверхностном слое океана обычно лимитируется наличием питательных веществ. Однако питательные вещества не являются лимитирующим фактором для продуктивности в основных зонах апвеллинга, расположенных в южной части Антарктического циркумполярного течения в широтном поясе 55-60 ю.ш. Это обстоятельство указыавет на то, что имеются другие факторы, лимитирующие рост фитопланктона в таких широтах: например, приходящая радиация, определяющая распространение границ морского льда в северные широты весной и ранним летом южном полушарии. При других климатических режимах факторы, лимитирующие продуктивность, могут быть совершенно иными. Соответственно может изменяться и глобальный углеродный цикл.

Авторы статьи, использованной в качестве основы для написания данной работы, проанализировали некоторые из этих возможных факторов и показали, что при определённых условиях в поверхностных слоях океана могут наблюдаться более низкие значения концентраций растворённого неорганического углерода по сравнению с современными, соответственно концентрации атмосферного будут также другими. Эту углеродного цикла в океане можно отметить как возможный механизм увеличения направленного вниз потока углерода в случае, если бы потепление в высоких широтах вызвало уменьшение площади морского ледяного покрова. Это механизм отрицательной обратной связи между углеродным циклом и климатической системой, т.е. повышение температуры в атмосфере должно привести к увеличению поглощения океаном и уменьшению скорости роста в атмосфере.

При оценках возможных значений концентраций атмосферного в будущем обычно считают, что общая циркуляция океанов не будет изменятся. Однако несомненно, что в прошлом она менялась. Если потепление, вызванное ростом концентрации в атмосфере, будет значительным, то, вероятно, произойдёт какое-то изменение циркуляции океана. В частности, может уменьшиться интенсивность образования холодных глубинных вод, что в свою очередь может привести к уменьшению поглощения антропогенного океаном.

Изменение круговорота углерода могло бы произойти также при увеличении суммарного количества питательных веществ в океане. Если наличие питательных веществ в поверхностных слоях по-прежнему будет основным фактором, лимитирующим фотосинтез, их концентрации в этих слоях должны быть очень низкими. Следовательно, должен увеличится вертикальный градиент концентрации питательных веществ между обеднёнными этими веществами поверхностными водами и глубинными слоями. В этом случае за счёт вертикального перемешивания в океане в поверхностные слои будет переноситься больше питательных веществ, что приведёт к росту интенсивности фотосинтеза, и, следовательно, увеличению потока детрита в глубинные слои океана. Вертикальный градиент концентрации также возрастёт, а поверхностные значения и парциальное давление при этом уменьшатся.

Брокер проанализировал возможные механизмы, которые могли бы играть существенную роль при переходе от ледниковья к межледниковью, особенно подчеркнув роль фосфатов. Действие этих механизмов могло бы объяснить довольно низкие концентрации углекислого газа в атмосфере, которые имели место в конце ледниковой эпохи, и высокие концентрации в атмосфере в более тёплый период времени. Показано, что сложные вторичные механизмы могут вносить свой вклад в возможные изменения концентрации атмосферного в течение ближайших 100 лет, помимо непосредственного воздействия антропогенных выбросов .

Как углерод, так и фосфор поступают в океан с речным стоком. Поток углерода составляет около г С/год но может увеличится из-за интенсификации сельскохозяйственной деятельности и лесопользования. Поскольку циклы углерода и фосфора взаимосвязаны, полезно оценить рост потребления фосфора в качестве удобрений в сельском хозяйстве и промышленности. Годовая добыча фосфора в 1972 году составляла г. И в дальнейшем значительно возросла. В водные системы (озёра, реки, моря) поступает не более 50% фосфора, а возможно, и значительно меньше, так как часть фосфора, использованного в качестве удобрений на полях и в лесах, остаётся в почвах.

Для грубой оценки возможного роста первичной продуктивности в водных системах можно считать, что в процессе фотосинтеза используется 20-50 % имеющегося количества фосфатов и что образованное таким образом органическое вещество становится частью углеродного цикла в океане или захороняется в отложениях. Такое изменение продуктивности приведёт к удалению из атмосферы и поверхностных слоёв водных систем г. С/год. Это количество соответствует 2-6 % годового выброса углерода в атмосферу за счёт сжигания ископаемого топлива в 1972 году, поэтому данный процесс нельзя не учитывать при построении моделей изменения глобального климата.

5. Углерод в континентальной биоте и в почвах

5.1. Углерод в биоте и первичная продуктивность

В течение последних 20 лет были предприняты многочисленные попытки определения запасов углерода в континентальной растительности и характеристик его годового круговорота: общей первичной продуктивности, дыхания и образования детрита. Оценка, характеризующая состояние континентальной биомассы на 1950 год без учёта сухостоя, равна г С. В более поздних работах, основанных на большем количестве данных, указывается, что эта оценка содержания углерода в живом веществе биомассы скорее всего завышена. В двух исследованиях, выполненных Дювинье и др., а также Олсоном и др., более подробно рассматривается неоднородность существующих биомов, особенно в тропических регионах. Согласно этим двум исследованиям, содержание углерода в резервуаре живой континентальной фитомассы на 1970 год было равно г С. Однако различные оценки продуктивности трудно сравнивать из-за различия использованных систем классификации. Сейчас становится ясным, что содержание углерода во вторичных лесах значительно меньше, чем в девственных тропических лесах, а площадь, занимаемая первыми, больше, чем считалась ранее. Многие площади, которые ранее предполагались полностью занятыми сомкнутыми лесами, сейчас оказались занятыми частично сомкнутыми лесами.

Среднее время пребывания углерода в лесных системах составляет 16-20 лет, но средний возраст деревьев по крайней мере в два раза больше, так как менее половины чистой первичной продукции превращается в целлюлозу. Среднее время жизни углерода в растениях, не входящих в лесные системы, равно примерно 3 годам.

5.2. Углерод в почве

По разным оценкам, суммарное содержание углерода в составляет около г С. Главная неопределённость существующих оценок обусловлена недостаточной полнотой сведений о площадях и содержании углерода в торфяниках планеты.

Более медленный процесс разложения углерода в почвах холодных климатических зон приводит к большей концентрации углерода почв (на единицу поверхности) в бореальных лесах и травянистых сообществах средних широт по сравнению с тропическими экосистемами. Однако только небольшое количество (несколько процентов или даже меньше) детрита, поступающего ежегодно в резервуар почв, остаётся в них в течение длительного времени. Большая часть мёртвого органического вещества окисляется до за несколько лет. В чернозёмах около 98% углерода подстилки характеризуется временем оборота около 5 месяцев, а 2% углерода подстилки остаются в почве в среднем в течение 500-1000 лет. Эта характерная черта почвообразовательного процесса проявляется также в том, что возраст почв в средних широтах, определяемый радиоизотопным методом, составляет от нескольких сотен до тысячи лет и более. Однако скорость разложения органического вещества при трансформации земель, занятых естественной растительностью, в сельскохозяйственные угодья совершенно другая. Например, высказывается мнение, что 50% органического углерода в почвах, используемых в сельском хозяйстве Северной Америки, могло быть потеряно вследствие окисления, так как эти почвы начали эксплуатироваться до начала прошлого века или в самом его начале.

5.3. Изменение содержания углерода в континентальных экосистемах

За последние 200 лет произошли значительные изменения в континентальных экосистемах в результате возрастающего антропогенного воздействия. Когда земли, занятые лесами и травянистыми сообществами, превращаются в сельскохозяйственные угодья, органическое вещество, т.е. живое вещество растений и мёртвое органическое вещество почв, окисляется и поступает в атмосферу в форме . Какое-то количество элементарного углерода может также захораниваться в почве в виде древесного угля (как продукт, оставшийся от сжигания леса) и, таким образом, изыматься из быстрого оборота в углеродном цикле. Содержание углерода в различных компонентах экосистем изменяется, поскольку восстановление и деструкция органического вещества зависят от географической широты и типа растительности.

Были проведены многочисленные исследования, имевшие своей целью разрешить существующую неопределённость в оценке изменений запасов углерода в континентальных экосистемах. Основываясь на данных этих исследований, можно прийти к выводу о том, что поступление в атмосферу с 1860 по 1980 год составило г С и что в 1980 году биотический выброс углерода был равен г С/год. Кроме того, возможно влияние возрастающих атмосферных концентраций и выбросов загрязняющих веществ, таких, как  и , на интенсивность фотосинтеза и деструкции органического вещества континентальных экосистем. По-видимому, интенсивность фотосинтеза растёт с увеличением концентрации в атмосфере. Наиболее вероятно, что этот рост характерен для сельскохозяйственных культур, а в естественных континентальных экосистемах повышение эффективности использования воды могло бы привести к ускорению образования органического вещества.

5.4. Прогнозы концентрации углекислого газа в атмосфере на будущее

За последние десятилетия было создано большое количество моделей глобального углеродного цикла, рассматривать которые в данной работе не представляется целесообразным из-за того, что они в достаточной мере сложны и объёмны. Рассмотрим лишь кратко основные их выводы. Различные сценарии, использованные для прогноза содержания в атмосфере в будущем, дали сходные результаты. Ниже приведёна попытка подвести общий итог наших сегодняшних знаний и предположений, касающихся проблемы антропогенного изменения концентрации  в атмосфере.

С 1860 по 1984 год в атмосферу поступило  г С за счёт сжигания ископаемого топлива, скорость выброса в настоящее время (по данным на 1984 год) равна г С/год.

В течение этого же периода времени поступление  в атмосферу за вырубки лесов и изменения характера землепользования составило г С, интенсивность этого поступления в настоящее время равна г С/год.

С середины прошлого века концентрация  в атмосфере увеличилась от  до млн в 1984 году.

Основные характеристики глобального углеродного цикла хорошо изучены. Стало возможным создание количественных моделей, которые могут быт положены в основу прогнозов роста концентрации  в атмосфере при использовании определённых сценариев выброса.

Неопределённости прогнозов вероятных изменений концентрации  в будущем, получаемых на основе сценариев выбросов, значительно меньше значительно меньше неопределённостей самих сценариев выбросов.

Если интенсивность выбросов  в атмосферу в течение ближайших четырёх десятилетий останется постоянной или будет возрастать очень медленно (не более 0,5% в год) и в более отдалённом будущем также будет расти очень медленно, то к концу XXI века концентрация атмосферного  составит около 440 млн , т.е. не более, чем на 60% превысит доиндустриальный уровень.

Если интенсивность выбросов  в течение ближайших четырёх десятилетий будет возрастать в среднем на 1-2 % в год, т.е. также, как она возрастала с 1973 года до настоящего времени, а в более отдалённом будущем темпы её роста замедлятся, то удвоение содержания  в атмосфере по сравнению с доиндустриальным уровнем произойдёт к концу XXI века.

Основные неопределённости прогнозов концентрации  в атмосфере вызваны недостаточным знанием роли следующих факторов:

• скорости водообмена между поверхностными, промежуточными и глубинными слоями океана;
• чувствительности морской первичной продукции к изменениям содержания питательных веществ в поверхностных водах;
• захоронения органического вещества в осадках в прибрежных районах (и озёрах);
• изменение щёлочности, и, следовательно, буферного фактора морской воды, вызванных ростом содержания растворённого неорганического углерода;
• увеличения интенсивности фотосинтеза и роста биомассы и почвенного органического вещества в континентальных экосистемах за счёт роста концентрации  в атмосфере и возможного отложения питательных веществ, поступающих из антропогенных источников;
• увеличения скорости разложения органического вещества почв, особенно в процессе эксплуатации лесов;
• образования древесного угля в процессе горения биомассы.

Величина ожидаемого изменения средней глобальной температуры при удвоении концентрации  приблизительно соответствует величине её изменения при переходе от последнего ледникового периода к современному межледниковью. Более умеренное потребление ископаемого топлива в течение ближайших десятилетий могло бы продлить возможность его использования на более отдалённую перспективу. В этом случае концентрация  в атмосфере не достигнет удвоенного значения по сравнению с доиндустриальным уровнем.

Проблема изменения климата в результате эмиссии парниковых газов должна рассматриваться как одна из самых важных современных проблем, связанных с долгосрочными воздействиями на окружающую среду, и рассматривать её нужно в совокупности с другими проблемами, вызванными антропогенными воздействиями на природу.

Список литературы

1. •  Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. / Под редакцией Б. Болина, Б. Р. Десса, Дж. Ягера, Р. Уоррика. / Ленинград, Гидрометеоиздат - 1989.
2. •  М. И. Будыко. Климат и жизнь. / Ленинград, Гидрометеоиздат - 1971.
3. •  М. И. Будыко. Изменения климата. / Ленинград, Гидрометеоиздат - 1974.