Углеродный цикл

Уравнение баланса углерода в атмосфере (Захаров, 1995):

Сопряжение биогеохимических циклов, в 1018 г

2.123 dC(t)/dt = Qfoss(t) + Dn(t) - SOC(t) - Sfert(t) + Sresid(t)

где: C(t) – атмосферная концентрация СО2 (ppm), Qfoss- индустриальная эмиссия углерода (Гт С/год) ), Dn- биоэмиссия, SOC- сток в океан, Sfert- фертилизационный сток (растения), Sresid –

сток за счет короткопериодной климатической изменчивости.

4 основных резервуара перераспределения углерода: атмосфера, океан, биосфера, ископаемое топливо

Содержание углерода в различных резервуарах			В млрд. тонн (109Т)
Резервуар	Концентрация	Содержание
	углерода	углерода, Гт
Атмосфера (масса 5.14*106Гт)	340 ppm	717 (550)
	(ранее 260 ppm)
Океан (масса 1.384*109Гт)
неорганический углерод	29 г/м3	39000
органический углерод	0.7 г/м3	1000
растворенная органика		30
Биосфера
живая масса		560
неживая органическая масса		30
соломенная подстилка		60
гумус		2000-16000
Литосфера (масса 24*109Гт)		1000000
неорганический углерод	20%	48
органический углерод	0.07%	17.5

1Гт=109Т

Все процессы, объединяющие потоки и превращения неорганического и органического углерода образуют глобальный биогеохимический цикл углерода (Будыко, 1985; Baugher, 1988)

Основное уравнение (Андерсон, 1985):						1
				Ископаемое топливо,
		Фотосинтез
					5
				5000 -10000
6СО2+6Н2О+энергия			С6Н12О6+6О2

Дыхание

Следствие взаимодействия атмосферы и биосферы – удаленность ее от состояния термодинамического равно- весия.(Заварзин, Котляков, 1998)

Блок-схема глобального углеродного цикла (Болин, 1989) Содержание углерода – в 109Т, потоки между резервуарами – в 109Т/год

Независимая оценка в потоках, баланс не выполняется

Глобальный углеродный цикл

3-5

Схема геохимического цикла углерода показывает количество углерода в атмосфере, гидросфере и геосфере Земли, а также годовой перенос углерода между ними. Все величины в гигатоннах (миллиардах тонн). В результате сжигания ископаемого топлива, человечество ежегодно добавляет 5,5 гигатонн углерода в атмосферу.

3 стадии круговорота (Логинов, 1998)

1). Зеленые растения, поглощая СО2 из воздуха, создают

органическое вещество.

2). Животные, питаясь растениями из содержащихся в них соединений углерода, продуцируют другие соединения.

3). Микроорганизмы разрушают вещество умерших растений и животных и освобождают углерод, который снова попадает в атмосферу.

Неоднозначность в оценках, сложность определения, Уточнения:

Средние год (за период 1991-93 гг. по данным В.Г.Горшкова,К.Я.Кондратьева, К.С.Лосева):

Основной вывод: дисбаланс глобального бюджета

углерода, атмосфера накапливает углерод

(от 1 до 5 Гт, в среднем 3 Гт ежегодно)!

Глобальный бюджет углерода

Источники и стоки		Бюджет	Источники и стоки
(1991-93 гг.)		ГтС/год	(1991-93 гг.)
1.Ископаемое топливо			4.Органический углерод
2.	Атмосфера		4а. Океан
3.	Океан		4б. Суша
			4б1 Тропики
			4б2 Бореальная зона

Круговорот углерода (Кондратьев, 1980)

Бюджет			источники
ГтС/год
			стоки (поглощает)

0.5±0.5

Дисбаланс глобального бюджета углерода может компенсировать только поглощение углерода невозмущенной биотой суши (бореальные леса России и Канады) и океана.

Причем биота океана значительно меньше возмущена человеком, чем биота суши.

Рост потребления ископаемого топлива

Современное состояние

возмущенная

биота

Гт С/год или %

Состояние глобального экологического равновесия

Изменения хозяйственной деятельности и глобальной экосистемы

Показатели	Начало XX	Конец XX
	века	века
Валовой мировой продукт, млрд.	60	20000
долларов
Мощность мирового хозяйства. ТВт	1	10
(1012 Вт = 1 ТВт - тераватт)
Численность населения, млрд. чел.	1	5
Потребление пресной воды, куб. км	360	4000
Потребление чистой первичной	1	16
продукции биоты, %
Площадь заселенных территорий, млн.	57.49	50.07
кв. км
Рост площади пустынь, млн. га	-	+156
Сокращение числа видов, %	-	-20
Площадь, нарушенная хозяйственной	20	60
деятельностью на суше, %

Гипотеза биологического саморегулирования состояния ОС

Неразрывность биоты и среды обитания

Принцип Ле Шателье: “Внешнее воздействие, выводящее систему из состояния равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия”

Гипотетический пример:

Повышение

температуры

Рост

биопродук

тивности

океана

Увеличение потока серы в атмосферу

Рост ядер конденсации

Увеличение

облачности

Снижение

приходящей

радиации

Снижение

температуры

“Биосфера ведет себя как саморегулиру- ющая система, способная подавить всякие природные нарушения и восстановить некий внутренний баланс”.

(1998 г.)

Изменение климата Земли в прошлом не выходило, согласно существующим данным, за пределы отклонения среднеглобальной температуры на плюс-минус 5oС от современного значения (+15oС).

	Ортодоксальное воплощение принципа Ле Шателье для биосферы – концепция Геи
	(Джеймс Лавлок = Lovelock, 1982, 1995)	“Человек не господин сущего.
	«Мир маргариток» - одномерный мир в котором тем-ра поверхности зависит	Человек пастух бытия.”
	только от поглощенной солнечной радиации. Отражательные свойства	М.Хайдеггер «Письмо о гуманизме».
	представлены маргаритками двух видов: черными и белыми. Каждый вид	Научное представление о Земле, как о
	существует в своем диапазоне температур.
		целостной живой системе, "макрокосме",
		живом суперорганизме развивалось
		учеными-натуралистами и мыслителями
	Температура является единственным фактором, влияющим на биоту.	начиная с 18-го века (Дж. Геттон (1726-
		1797), Ж. Б. Ламарк (1744-1829), А.
	При увеличении солнечной постоянной растет т-ра и сначала прорастают и	Гумбольдт (1769-1859)).
	развиваются черные маргаритки на экваторе — они лучше приспособлены к	Мир маргариток — для экологов игра.
	жизни в холоде, так как полнее поглощают солнечный свет. Затем черные	Есть маргаритки черные, что поглощают свет
	замещаются белыми от экватора к полюсу. Возрастает альбедо,	и делятся теплом наивно, свято,
	радиационный баланс уменьшается и препятствует росту температуры.	и белые, что отражают, не согревшись.
	Параметры модели подобраны таким образом, что увеличение солнечной	Есть в этом мире Солнце и Луна,
		хотя последняя значенья не имеет,
	постоянной компенсируется ростом альбедо за счет увеличения территории,
		и воздух есть, ветра его и влага.
	занятой белыми маргаритками, а температура сохраняется стабильной При
		Ученые нашли, что можно жить
	дальнейшем росте солнечной постоянной компенсировать рост т-ры уже
		в полях из маргариток черных, белых,
	невозможно и земля высыхает. Аналогично – при уменьшении солнечной
		но трогать их и рвать — недопустимо.
	постоянной.
		Пусть вам не нравится тревожный белый цвет,
	Модель усложняется: серые маргаритки, кролики, лисы и т.д.	но если оборвете их нещадно,
		настанет засуха, в которой всё погибнет.
	Изменения температуры	А если траурный вам неприятен цвет,
	поверхности планеты с	и вы лишь белые оставите цветочки -
	изменением светимости Солнца	настанет холод, и опять же всё погибнет.
	(1,0 – нынешнее состояние) при	Мы думали, живем мы в мире сосен,
	наличии единственной морфы	и в мире гор и городов, морей и марей,
	маргариток (а) и при двух,	но суть баланса - в мире маргариток.
	«светлой» и «темной», способных
	кондиционировать среду	Возможность глобального биологи-
	обитания (б) (по Lovelock, 1982)
		ческого контроля окружающей среды