| Скачать реферат, курсовой Реферат "Углеродный цикл и изменения климата" бесплатно
Этот реферат, курсовую работу на тему "Реферат "Углеродный цикл и изменения климата"" вы может совершенно бесплатно скачать с этого портала, как и другие работы. Эти работы помогут школьнику, студенту, абитуриенту. Необходимым условием при использовании Реферат "Углеродный цикл и изменения климата" и других рефератов с нашего порталаявляется их использование только в личных целях без коммерческой выгоды.
Буферные свойства карбонатной системы.
При растворении  в морской
воде происходит реакция гидратации с образованием угольной кислоты  ,
которая в свою очередь диссоциирует на ионы  . Карбонатная
система определяется суммарной концентрацией растворённого неорганического
углерода ( ); полным содержанием боратов ( В);
щелочным резервом (А); кислотностью (pH); парциальным давлением расворённого
углекислого газа  , которое при условии
равновесия с атмосферой равно парциальному давлению  в
атмосфере. При поглощении  морской водой щёлочность
остаётся неизменной, а образование и разложение органических и неорганических
соединений приводит к изменению как  , так и А.
Карбонатная система имеет следующие основные особенности:
1. Растворимость  в морской воде и
соответственно концентрация суммарного углерода, находящегося в равновесии с
атмосферным  при заданном значении
концентрации последнего, зависят от температуры.
2. Обмен  между газовой фазой и
раствором зависит от так называемого буферного фактора, который также называют
фактором Ревелла.
Растворимость и буферный фактор увеличиваются при понижении температуры. Так
как изменение парциального давления углекислого газа в направлении от полюса к
экватору невелико, в среднем  переносится из атмосферы в
океан в высоких широтах и в противоположном направлении в низких, хотя наблюдаются
отклонения от этой упрощённой картины вследствие того, что в результате
апвеллинга из глубинных слоёв океана к поверхности приносятся обогащённые
углекислым газом воды. Буферный фактор имеет величину порядка 10 и
увеличивается с ростом значений  . Это означает, что  чувствительно
к довольно малым изменениям  в воде. При сохранении
равновесия в системе атмосфера - поверхностные воды океана изменение концентрации
 в атмосфере примерно на 25% в
течение последних 100 лет вызовет изменение содержания суммарного расворённого
неорганического углерода в поверхностных водах только на 2-2,5%. Таким образом,
способность океана поглощать избыточный атмосферный  в
10 раз меньше той, которую можно было бы ожидать исходя из сравнения размеров
природных резервуаров углерода.
Углерод в морской воде.
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  .
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.
 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.
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.
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.
Углерод в континентальной биоте
и в почвах.
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 оценкасодержания 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.
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.
Изменения содержания углерода в
континентальныхэкосистемах.
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.
Назад | Далее
В начало реферата
Если у вас есть аналогичные работы Реферат "Углеродный цикл и изменения климата" сообщите нам об этом. Также нам будет интересны рефераты, дипломные работы по теме Реферат "Углеродный цикл и изменения климата", а также курсовые работы. Присылайте их нам, помогите в учебе другим людям.
|
