3. Углерод в атмосфере

Самым важным компонентом природного цикла углерода является газообразный диоксид углерода (углекислый газ, СО₂).

Рис. 3. Тренды концентраций СО₂ в северном и южном полушариях, показывающие изменение градиента. По IPCC (1995).

На рис. 3. показаны среднегодовые значения концентрации СО₂ в атмосфере, измеренные в Мауна Лоа (Гавайи) и на Южном полюсе. Из графика видно, что концентрация атмосферного СО₂ отчетливо возрастала со временем и что это всемирное явление. Скорость прироста несколько изменяется от года к году, составляя в среднем около 0,5% в год.

Данные на рис. 3 покрывают период 1958-92 гг., в течение которого использовались надежные аналитические методы. Для того чтобы продлить запись в прошлое, надо привлечь данные измерений, полученные с помощью более грубых (по современным стандартам) методов. Для этого используется выделение и анализ пузырьков воздуха, заключенных в кернах льда, собранного на полярных ледяных шапках. В основе этого метода лежит то, что захваченные пузырьки воздуха отражают состав атмосферного воздуха на момент образования льда. Датируя различные слои кернов, из которых были выделены пузырьки воздуха, можно установить прошлое состава атмосферы. Результаты полученных этим методом измерений на ледниковой шапке в западной Антарктике показаны на рис. 4.

Рис. 4. Измерения содержания СО₂в воздухе атмосферы и кернов льда. По Crane & Liss (1985).

В середине восемнадцатого столетия, до того как произошла основная индустриализация (и сельскохозяйственное развитие), атмосфера содержала, по-видимому, около 280•10^-4% СО₂. За последующие 250 лет и частично с начала 1850 г. концентрация СО₂ возрастала примерно экспоненциально вследствие сжигания ископаемого топлива человеком и вовлечения земель в сельскохозяйственное использование. В настоящее время (1995 г.) уровень концентрации близок к 360•10^-4%, что отражает превышение почти на 30% над предындустриальной концентрацией.

Детальные исследования данных по Мауна Лоа, где измерения проводятся ежемесячно (рис. 5), дают кривую сильных и систематических сезонных изменений концентрации. Подобные сезонные изменения были обнаружены и в других местах, хотя амплитуда колебаний меняется с широтой и между полушариями.

Рис 5. Данные по концентрациям атмосферного СО₂в Мауна Лоа и ожидаемые концентрации в случае, если бы весь углекислый газ, образующийся при сжигании ископаемого топлива, остался в воздухе.

На рис. 5 показаны также результаты расчетов, по которым концентрация атмосферного СО₂ с 1958 г. предсказана на основе допущения, что весь СО₂, производимый с этого времени в результате сжигания ископаемого топлива, остался в атмосфере. Очевидно, что в атмосфере наблюдается только около половины привнесенного в результате сжигания ископаемого топлива СО₂ — это означает, что оставшаяся часть должна была быть абсорбирована в другом резервуаре. Это упрошенный вывод, поскольку здесь предполагается, что остальные резервуары не изменялись в размерах и что между ними и атмосферой не было обмена в течение обсуждаемого периода. Несмотря на эти упрощения, приведенный расчет побуждает нас исследовать другие резервуары и, таким образом, подчеркивает важность рассмотрения системы как единого целого, а не как не связанных между собой природных составляющих.

Существует три основных источника и стока атмосферного углекислого газа: биосфера суши (включая пресные воды), океаны и антропогенная эмиссия в результате сжигания ископаемого топлива и другой промышленной деятельности. Вулканические эмиссии здесь не учитываются, поскольку считаются несущественными в количественном отношении в короткие временные масштабы.