НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Реферат: Углерод

Реферат: Углерод

Содержание.

поступлением

Введение.

Деятельность человека достигла уже такого уровня развития, при котором её

влияние на природу приобретает глобальный характер. Природные системы -

атмосфера, суша, океан, - а также жизнь на планете в целом подвергаются этим

воздействиям. Известно, что на протяжении последнего столетия увеличивалось

содержание в атмосфере некоторых газовых составляющих, таких, как двуокись

углерода (), закись

азота (), метан (

) и тропосферный озон (

). Дополнительно в атмосферу поступали и другие газы, не являющиеся

естественными компонентами глобальной экосистемы. Главные из них -

фторхлоруглеводороды. Эти газовые примеси поглощают и излучают радиацию и

поэтому способны влиять на климат Земли. Все эти газы в совокупности можно

назвать парниковыми.

Представление о том, что климат мог меняться в результате выброса в атмосферы

двуокиси углерода, появилось не сейчас. Аррениус указал на то, что сжигание

ископаемого топлива могло привести к увеличению концентрации атмосферного

и тем самым изменить радиационный баланс Земли. В настоящие время мы

приблизительно известно, какое количество

поступило в атмосферу за счёт сжигания ископаемого топлива и изменений в

использовании земель (сведения лесов и расширения сельскохозяйственных

площадей), и можно связать наблюдаемое увеличение концентрации атмосферного

с деятельностью человека.

Механизм воздействия

на климат заключается в так называемом парниковом эффекте. В то время как для

солнечной коротковолновой радиации

прозрачен, уходящую от земной поверхности длинноволновую радиацию этот газ

поглощает и излучает поглощённую энергию по всем направлениям. Вследствие этого

эффекта увеличение концентрации атмосферного

приводит к нагреву поверхности Земли и нижней атмосферы. Продолжающийся рост

концентрации в

атмосфере может привести к изменению глобального климата, поэтому прогноз

будущих концентраций углекислого газа является важной задачей.

Поступление углекислого газа в атмосферу

выбросов.

Основным антропогенным источником выбросов

является сжигание всевозможных видов углеродосодержащего топлива. В настоящее

время экономическое развитие обычно связывается с ростом индустриализации.

Исторически сложилось, что подъём экономики зависит от наличия доступных

источников энергии и количества сжигаемого ископаемого топлива. Данные о

развитии экономики и энергетики для большинства стран за период 1860-1973 гг.

Свидетельствуют не только об экономическом росте, но и о росте

энергопотребления. Тем не менее одно не является следствием другого. Начиная с

1973 года во многих странах отмечается снижение удельных энергозатрат при росте

реальных цен на энергию. Недавнее исследование промышленного использования

энергии в США показало, что начиная с 1920 года отношение затрат первичной

энергии к экономическому эквиваленту производимых товаров постоянно

уменьшалось. Более эффективное использование энергии достигается в результате

совершенствования промышленной технологии, транспортных средств и

проектирования зданий. Кроме того, в ряде промышленно развитых стран произошли

сдвиги в структуре экономики, выразившиеся в переходе от развития сырьевой и

перерабатывающей промышленности к расширению отраслей, производящих конечный

продукт.

Минимальный уровень потребления энергии на душу населения, необходимый в

настоящее время для удовлетворения нужд медицины, образования и рекреации,

значительно меняется от региона к региону и от страны к стране. Во многих

развивающихся странах значительный рост потребления высококачественных видов

топлива на душу населения является существенным фактором для достижения более

высокого уровня жизни. Сейчас представляется вероятным, что продолжение

экономического роста и достижение желаемого уровня жизни не связаны с уровнем

энергопотребления на душу населения, однако этот процесс ещё недостаточно

изучен.

Можно предположить, что до достижения середины следующего столетия экономика

большинства стран сумеет приспособиться к повышенным ценам на энергию, уменьшая

потребности в рабочей силе и в других видах ресурсов, а также увеличивая

скорость обработки и передачи информации или, возможно, изменяя структуру

экономического баланса между производством товаров и предоставлением услуг.

Таким образом, от выбора стратегии развития энергетики с той или иной долей

использования угля или ядерного топлива в энергетической системе будет

непосредственно зависеть скорость промышленных выбросов

.

Потребление энергии и выбросы

углекислого газа.

Энергия не производится ради самого производства энергии. В промышленно развитых

странах основная часть вырабатываемой энергии приходится на промышленность,

транспорт, обогрев и охлаждение зданий. Во многих недавно выполненных

исследованиях показано, что современный уровень потребления энергии в

промышленно развитых станах может быть существенно снижен за счёт применения

энергосберегающих технологий. Было рассчитано, что если бы США перешли, при

производстве товаров широкого потребления и в сфере услуг, на наименее

энергоёмкие технологии при том же объёме производства, то количество

поступающего в атмосферу

уменьшилось бы на 25%. Результирующее уменьшение выбросов

в целом по земному шару при этом составило бы 7%. Подобный эффект имел бы место

и в других промышленно развитых странах. Дальнейшего снижения скорости

поступления в

атмосферу можно достичь путём изменения структуры экономики в результате

внедрения более эффективных методов производства товаров и усовершенствований в

сфере предоставления услуг населению.

Углерод в природе.

Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование

жизни на Земле, углерод является главным. Химические превращения органических

веществ связаны со способностью атома углерода образовывать длинные

ковалентные цепи и кольца. Биогеохимический цикл углерода, естественно, очень

сложный, так как он включает не только функционирование всех форм жизни на

Земле, но и перенос неорганических веществ как между различными резервуарами

углерода, так и внутри них. Основными резервуарами углерода являются

атмосфера, континентальная биомасса, включая почвы, гидросферу с морской

биотой и литосферой. В течение последних двух столетий в системе атмосфера -

биосфера - гидросфера происходят изменения потоков углерода, интенсивность

которых примерно на порядок величины превышает интенсивность геологических

процессов переноса этого элемента. По этой причине следует ограничиться

анализом взаимодействий в пределах этой системы, включая почвы.

Основные химические соединения и реакции.

Известно более миллиона углеродных соединений, тысячи из которых участвуют в

биологических процессах. Атомы углерода могут находиться в одном из девяти

возможных состояний окисления: от +IV до -IV. Наиболее распространённое явление

- это полное окисление, т.е. +IV, примерами таких соединений могут служить

и . Более 99%

углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в

океанах существует в растворённой форме (

), а в литосфере - в виде минералов. Примером состояния окисления +II является

малая газовая составляющая атмосферы

, которая довольно быстро окисляется до

. Элементарный углерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде

графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля. Ассимиляция углерода в

процессе фотосинтеза приводит к образованию восстановленного углерода, который

присутствует в биоте, мёртвом органическом веществе почвы, в верхних слоях

осадочных пород в виде угля, нефти и газа, захоронённых на больших глубинах, и

в литосфере - в виде рассеянного недоокисленного углерода. Некоторые

газообразные соединения, содержащие недоокисленный углерод

, в частности метан, поступают в атмосферу при восстановлении веществ,

происходящем в анаэробных процессах. Хотя при бактериальном разложении

образуется несколько различных газообразных соединений, они быстро окисляются,

и можно считать, что в систему поступает

. Исключением является метан, поскольку он также влияет на парниковый эффект. В

океанах содержится значительное количество растворённых соединений

органического углерода, процессы окисления которых до

известны ещё недостаточно хорошо.

Изотопы углерода.

В природе известно семь изотопов углерода, из которых существенную роль играют

три. Два из них -

и - являются

стабильными, а один -

- радиоактивным с периодом полураспада 5730 лет. Необходимость изучения

различных изотопов углерода обусловлена тем, что скорости переноса соединений

углерода и условия равновесия в химических реакциях зависят от того, какие

изотопы углерода содержат эти соединения. По этой причине в природе наблюдается

различное распределение стабильных изотопов углерода. Распределение же изотопа

, с одной стороны, зависит от его образования в ядерных реакциях с участием

нейтронов и атомов азота в атмосфере, а с другой - от радиоактивного распада.

Углерод в атмосфере.

Тщательные измерения содержания атмосферного

были начаты в 1957 году Киллингом в обсерватории Мауна-Лоа. Регулярные измерения

содержания атмосферного

проводятся также на ряде других станций. Из анализа наблюдений можно заключить,

что годовой ход концентрации

обусловлен в основном сезонными изменениями цикла фотосинтеза и деструкции

растений на суше; на него также влияет, хотя и меньшей степени, годовой ход

температуры поверхности океана, от которого зависит растворимость

в морской воде. Третьим, и, вероятно, наименее важным фактором является годовой

ход интенсивности фотосинтеза в океане. Среднее за каждый данный год содержание

в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники

антропогенного поступления

расположены преимущественно в северном полушарии. Кроме того, наблюдаются

небольшие межгодовые изменения содержания

, которые, вероятно, определяются особенностями общей циркуляции атмосферы. Из

имеющихся данных по изменению концентрации

в атмосфере основное значение имеют данные о наблюдаемом в течение последних 25

лет регулярном росте содержания атмосферного

. Более ранние измерения содержания атмосферного углекислого газа (начиная с

середины прошлого века) были, как правило, недостаточно полны. Образцы воздуха

отбирались без необходимой тщательности и не производилась оценка погрешности

результатов. С помощью анализа состава пузырьков воздуха из ледниковых кернов

стало возможным получить данные для периода с 1750 по 1960 год. Было также

выявлено, что определённые путём анализа воздушных включений ледников значения

концентраций атмосферного

для 50-х годов хорошо согласуются с данными обсерватории Мауна-Лоа. Концентрация

в течение 1750-1800 годов оказалась близкой к значению 280 млн.

, после чего она стала медленно расти и к 1984 году составляла 343

1 млн..

Углерод в почве.

По разным оценкам, суммарное содержание углерода 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.

Изменения 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.

Прогнозы концентрации углекислого

Основные выводы.

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. 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 быть 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.

4. Д. П. Никитин, Ю. В. Новиков – “Окружающая среда и человек”