Как углекислый газ усиливает парниковый эффект

× Эта страница содержит заархивированный контент и больше не обновляется. На момент публикации он представлял собой наилучшую доступную науку.

Эффекты изменения углеродного цикла

Весь этот лишний углерод должен куда-то деваться. На сегодняшний день наземные растения и океан поглощают около 55 процентов дополнительного углерода, который люди выбрасывают в атмосферу, в то время как около 45 процентов остается в атмосфере. В конце концов, суша и океаны поглотят большую часть лишнего углекислого газа, но до 20 процентов могут оставаться в атмосфере на многие тысячи лет.

Изменения в углеродном цикле влияют на каждый резервуар. Избыток углерода в атмосфере согревает планету и способствует росту растений на суше. Избыток углерода в океане делает воду более кислой, подвергая морскую жизнь опасности.

Атмосфера

Показательно, что так много углекислого газа остается в атмосфере, потому что CO₂ является наиболее важным газом для контроля температуры Земли. Углекислый газ, метан и галоидоуглеводороды являются парниковыми газами, которые поглощают широкий спектр энергии, включая инфракрасную энергию (тепло), излучаемую Землей, а затем повторно излучают ее. Повторно излучаемая энергия распространяется во всех направлениях, но часть возвращается на Землю, где нагревает поверхность. Без парниковых газов Земля была бы замерзшей при температуре -18 градусов по Цельсию (0 градусов по Фаренгейту). Из-за слишком большого количества парниковых газов Земля была бы похожа на Венеру, где парниковая атмосфера поддерживает температуру около 400 градусов по Цельсию (750 по Фаренгейту).

Повышение концентрации углекислого газа нагревает атмосферу. Повышение температуры приводит к более высокой скорости испарения и более влажной атмосфере, что приводит к порочному кругу дальнейшего потепления. (Фотография © Патрик Уилкен, 2011 г.)

Поскольку ученые знают, какие длины волн энергии поглощает каждый парниковый газ, а также концентрацию газов в атмосфере, они могут рассчитать, какой вклад каждый газ вносит в нагревание планеты. Углекислый газ вызывает около 20 процентов парникового эффекта Земли; водяной пар составляет около 50 процентов; и облака составляют 25 процентов. Остальное вызвано мелкими частицами (аэрозолями) и незначительными парниковыми газами, такими как метан.

Концентрация водяного пара в воздухе зависит от температуры Земли. Более высокие температуры испаряют больше воды из океанов, расширяют воздушные массы и приводят к повышению влажности. При охлаждении водяной пар конденсируется и выпадает в виде дождя, мокрого снега или снега.

Углекислый газ, с другой стороны, остается газом в более широком диапазоне атмосферных температур, чем вода. Молекулы углекислого газа обеспечивают начальный нагрев теплицы, необходимый для поддержания концентрации водяного пара.Когда концентрация углекислого газа падает, Земля охлаждается, некоторое количество водяного пара выпадает из атмосферы, и парниковое потепление, вызванное водяным паром, падает. Точно так же, когда концентрация углекислого газа повышается, температура воздуха повышается, и в атмосферу испаряется больше водяного пара, что затем усиливает нагрев парниковых газов.

Таким образом, хотя углекислый газ вносит меньший вклад в общий парниковый эффект, чем водяной пар, ученые обнаружили, что углекислый газ является газом, который устанавливает температуру. Углекислый газ контролирует количество водяного пара в атмосфере и, следовательно, размер парникового эффекта.

Повышение концентрации углекислого газа уже вызывает нагревание планеты. В то же время, когда количество парниковых газов увеличивается, средняя мировая температура с 1880 года повысилась на 0,8 градуса Цельсия (1,4 градуса по Фаренгейту).

После удаления сезонного цикла концентрация углекислого газа в атмосфере, измеренная на вулкане Мауна-Лоа на Гавайях, показывает устойчивый рост с 1957 года. В то же время средние глобальные температуры повышаются в результате тепла, удерживаемого дополнительным CO.₂ и повышенной концентрации водяного пара. (Графики Роберта Симмона с использованием CO₂ данные из Лаборатории исследования системы Земли NOAA и данные о температуре из Годдардовского института космических исследований.)

Это повышение температуры — не все потепление, которое мы увидим, исходя из текущих концентраций углекислого газа. Парниковое потепление происходит не сразу, потому что океан поглощает тепло. Это означает, что температура Земли повысится как минимум еще на 0,6 градуса Цельсия (1 градус по Фаренгейту) из-за уже присутствующего в атмосфере углекислого газа. Степень, до которой температура повысится, отчасти зависит от того, насколько больше углерода люди выпустят в атмосферу в будущем.

Океан

Около 30% углекислого газа, выбрасываемого людьми в атмосферу, диффундирует в океан в результате прямого химического обмена.Растворение углекислого газа в океане приводит к образованию угольной кислоты, повышающей кислотность воды. Вернее, слегка щелочной океан становится чуть менее щелочным. С 1750 года pH поверхности океана снизился на 0,1, что соответствует 30-процентному изменению кислотности.

Часть избыточного CO₂ выбрасываемый в результате деятельности человека, растворяется в океане, превращаясь в углекислоту. Увеличение содержания углекислого газа приводит не только к потеплению океанов, но и к повышению их кислотности. (Фотография © Way Out West News, 2010 г.)

Закисление океана влияет на морские организмы двумя способами. Во-первых, угольная кислота реагирует с ионами карбоната в воде с образованием бикарбоната. Однако те же ионы карбоната нужны животным, строящим раковины, таким как кораллы, для создания раковин из карбоната кальция. Имея меньше доступного карбоната, животным нужно тратить больше энергии на строительство своих раковин. В результате скорлупа становится тоньше и более хрупкой.

Во-вторых, чем кислее вода, тем лучше она растворяет карбонат кальция. В долгосрочной перспективе эта реакция позволит океану поглощать избыток углекислого газа, потому что более кислая вода будет растворять больше горных пород, высвобождать больше ионов карбоната и повышать способность океана поглощать углекислый газ. Тем временем более кислая вода растворяет карбонатные раковины морских организмов, делая их изрытыми и слабыми.

Более теплые океаны — результат парникового эффекта — также могут уменьшить численность фитопланктона, который лучше растет в прохладных, богатых питательными веществами водах. Это может ограничить способность океана поглощать углерод из атмосферы посредством быстрого углеродного цикла.

С другой стороны, углекислый газ необходим для роста растений и фитопланктона. Увеличение содержания углекислого газа может увеличить рост за счет удобрения тех немногих видов фитопланктона и океанических растений (таких как морские травы), которые получают углекислый газ непосредственно из воды. Однако большинству видов не помогает повышенная доступность углекислого газа.

Земельные участки

Растения на суше поглощают примерно 25 процентов углекислого газа, который люди выбрасывают в атмосферу. Количество углерода, поглощаемого растениями, сильно варьируется от года к году, но в целом растения мира увеличили количество поглощаемого ими углекислого газа с 1960 года. Лишь часть этого увеличения произошла как прямой результат выбросов ископаемого топлива.

Благодаря большему количеству атмосферного углекислого газа, доступного для преобразования в растительное вещество в процессе фотосинтеза, растения могли расти больше. Этот усиленный рост называется углеродным удобрением. Модели предсказывают, что растения могут вырасти на 12-76 процентов больше, если количество углекислого газа в атмосфере удвоится, если ничто другое, например нехватка воды, не ограничивает их рост. Однако ученые не знают, насколько углекислый газ увеличивает рост растений в реальном мире, потому что растениям для роста нужно больше, чем углекислый газ.

Растениям также нужны вода, солнечный свет и питательные вещества, особенно азот. Если у растения нет одной из этих вещей, оно не будет расти независимо от того, насколько обильны другие потребности. Существует предел тому, сколько углерода растения могут поглощать из атмосферы, и этот предел варьируется от региона к региону. На данный момент кажется, что удобрение углекислым газом увеличивает рост растений до тех пор, пока растение не достигнет предела в количестве доступной воды или азота.

Некоторые изменения в поглощении углерода являются результатом решений о землепользовании. Сельское хозяйство стало гораздо более интенсивным, поэтому мы можем выращивать больше еды на меньшем количестве земли. В высоких и средних широтах заброшенные сельскохозяйственные угодья превращаются в леса, и эти леса содержат гораздо больше углерода как в древесине, так и в почве, чем сельскохозяйственные культуры. Во многих местах мы предотвращаем попадание растительного углерода в атмосферу путем тушения лесных пожаров. Это позволяет накапливать древесный материал (который хранит углерод). Все эти решения по землепользованию помогают растениям поглощать антропогенный углерод в Северном полушарии.

Изменения растительного покрова — леса, превращенные в поля, и поля, превращенные в леса, — оказывают соответствующее влияние на углеродный цикл. В некоторых странах Северного полушария многие фермы были заброшены в начале 20 века, а земля снова превратилась в лес. В результате углерод извлекался из атмосферы и накапливался в деревьях на суше. (Фотография © 2007 Хусейн Кадрибегич.)

Однако в тропиках леса уничтожаются, часто в результате пожаров, что приводит к выбросу углекислого газа. По состоянию на 2008 год на вырубку лесов приходилось около 12 процентов всех выбросов углекислого газа человеком.

Самые большие изменения в цикле углерода на суше, вероятно, произойдут из-за изменения климата. Углекислый газ повышает температуру, продлевая вегетационный период и увеличивая влажность. Оба фактора привели к некоторому дополнительному росту растений. Однако более высокие температуры также вызывают стресс у растений. С более продолжительным и теплым вегетационным периодом растениям требуется больше воды, чтобы выжить. Ученые уже видят доказательства того, что растения в Северном полушарии замедляют свой рост летом из-за высоких температур и нехватки воды.

Сухие, испытывающие недостаток воды растения также более восприимчивы к огню и насекомым, когда вегетационный период становится длиннее. На крайнем севере, где повышение температуры оказывает наибольшее влияние, леса уже начали сжигать больше, высвобождая углерод из растений и почвы в атмосферу. Тропические леса также могут быть чрезвычайно восприимчивы к высыханию. При меньшем количестве воды тропические деревья замедляют свой рост и поглощают меньше углерода или умирают, выбрасывая накопленный углерод в атмосферу.

Потепление, вызванное повышением уровня парниковых газов, также может «запекать» почву, увеличивая скорость просачивания углерода в некоторых местах. Особую тревогу это вызывает на Крайнем Севере, где оттаивает мерзлый грунт — вечная мерзлота. Вечная мерзлота содержит богатые залежи углерода из растительного материала, который накапливался в течение тысяч лет, потому что холод замедляет разложение.Когда почва нагревается, органическое вещество разлагается, а углерод в виде метана и углекислого газа просачивается в атмосферу.

По оценкам текущих исследований, вечная мерзлота в Северном полушарии содержит 1 672 миллиарда тонн (петаграммов) органического углерода. Если оттает хотя бы 10 процентов этой вечной мерзлоты, она может высвободить в атмосферу достаточно дополнительного углекислого газа, чтобы к 2100 году поднять температуру еще на 0,7 градуса Цельсия (1,3 градуса по Фаренгейту).