Цикл углерода Экспонента Символ Единицы измерения

Цикл углерода

Экспонента Символ Единицы измерения массы E Приставка (латинская) exa 10 18 10 15 P peta Pg (Пг) = 1 млрд. т 10 12 T tera Tg (Тг) = 1 млн. т 10 9 G giga Gt (Гт) = 1 млрд. т 10 6 M mega Mt (Мт) = 1 млн. т 10 3 k kilo Kt (Кт) = 1 тыс. т 10 1 dk deka 10 -1 d deci 10 -2 c centi 10 -3 m milli 10 -6 μ micro 10 -9 n nano 10 -12 p pico 10 -15 f femto

В биогеохимических циклах элементов исключительная роль принадлежит фотосинтезу, благодаря которому солнечная энергия аккумулируется в виде химической в органических соединениях углерода и служит движущей силой всех биогеохимических процессов.

Потоки СО 2 между пулами С в наземной экосистеме СО 2 Дыхание растений 1 -2 года Первичная продукция фотосинтеза (NPP) 10 -100 лет Древесина, опад, подстилка (NEP) Фотосинтез 100 -1000 лет Сорг. почвы (гумус) (NBP) Дыхание корней Дыхание микроорганизмов и фауны

Резервуары углерода и времена пребывания С в них: • • • в травянистой растительности – от 1 до нескольких лет, в древостое лесов - до нескольких сотен лет, гумусе почв – тысячи лет, торфах – десятков тысяч лет, ископаемом топливе – миллионы лет. В прошлые геологические эпохи в процессе эволюции биосферы разомкнутость циклов привела к накоплению молекулярных кислорода и азота в атмосфере в концентрациях, пригодных для жизни. Появился стратосферный озон (озоновый экран), играющий исключительную роль в защите всего живого на Земле от ультрафиолетового излучения. Сформировались залежи ископаемых топлив, известняков, доломитов и других осадочных пород. Незамкнутость круговоротов способствовала эволюции биосферы, которая по типу обратной связи видоизменяла биогеохимические круговороты.

ГЛАВНЫЕ ФОРМЫ УГЛЕРОДА В АТМОСФЕРЕ Газ Концентрация, ppm Общее количество, Gт 400 800 Метан - CH 4 1. 7 3 Окись углерода - CO 0. 09 0. 2 Углекислый газ - СО 2

Основные пулы и потоки С на Земле (Гт, 2004 -2015 гг. ) Прирост +4. 4 Атмосфера 800 90 70 60 120 Биота 560 Cжигание топлив 9. 0 Изменение землепользования 1. 0 60 Почва 1500 92 Океан 39000 Ископаемое топливо 5000 δ ± 10 -20%

Чистая продуктивность фотосинтеза (NPP), Gt С/год • 50 -60 (Hougton, 1990; Matthews, 1997; Field et al. , 1998; Schlesinger, 2000 и др. ) • 40 -80 (Cramer et al. , 1999 [16 моделей], цит. по Ito, 2003) • 34. 2 -64. 2 Gt/1990 год (Kicklighter et al – 21 автор, [4 модели], 1999) IPCC (официально) – 60 Gt

Оценка почвенного дыхания в мире Эмиссия СО 2 с поверхности почвенного покрова – один из главных потоков глобального цикла углерода Оценки почвенной эмиссии СО 2 (С, Gt /год): Schlesinger (1977) – 75 Houghton & Scole (1990) – 60 Raich & Schlesinger (1992) – 68 Raich &Potter (1995) -77 Schlesinger & Andrews (2000) - 75 Ito (2003) – 61. 5 (микробное дыхание) IPCC (официально) – 60 Gt

Антропогенная эмиссия СО 2 относительно ее природных источников на Земле (%) Дыхание наземной биоты Дыхание океанической биоты Дыхание почв Антропогенная эмиссия

Courtesy of World Data Centre For Greenhouse Gases http: //gaw. kishou. go. jp/wdcgg. html

Глобальная средняя концентрация СО 2 в атмосфере Глобальная концентрация СО 2 увеличилась с 277 ppm в 1750 до 400 ppm в 2014 г. Станция Mauna Loa зарегистрировала впервые концентрацию СО 2 выше 400 ppm в мае 2013 г. Source: NOAA-ESRL; Scripps Institution of Oceanography; Global

Динамика атмосферной концентрации CO 2 за прошлые 450 тыс. лет

Эмиссия СО 2, Gt/год Промышленная эмиссия СО 2 в Мире в 1990 -2014 гг. 1990 -1997 + 1. 0%/год Uncertainty is ± 5% for one standard deviation (IPCC “likely” range) Киото 1997 Source: CDIAC; Le Quéré et al 2014; Global Carbon Budget 2014

Потребление различных источников энергии в Мире

Annual change in global CO 2 emissions relative to 2011

Annual change CO 2 emissions for the EU, US, China, India, and the rest of the world

Главные эмиттеры СО 2 в мире за период 2010 -2014 гг. - Выбросы СО 2 четырьмя главными эмиттерами составляли 62% от общей глобальной эмиссии: КНР – 28%; EU 27 – 11%; Индия – 7% Прирост эмиссии Китай - 9. 9 % США – 1. 8% EUR 27 - 2. 8% Индия – 7. 5% Source: Global Carbon Project 2015

Динамика эмиссии СО 2 в ряде стран за 1960 -2012 гг. и прогноз до 2020 г Тренды показывают, что к 2020 году эмиссии СО 2 Китаем могут превысить суммарную эмиссию США, 28 стран ЕС и Индии СО 2 эмиссия (Gt CO 2/ год) Прогнозируемая эмиссия к 2020 г. : КНР – 12. 7 Источник: CDIAC; Friedlingstein et al 2014 США – 5. 2 Индия – 3. 4 ЕС 28 – 3. 3

Использование ископаемого топлива на душу населения (т С/чел/год) Подушевая средне мировая эмиссия в 2011 была 1. 4 т. C/чел. КНР (1. 8 т. C/ч), США (4. 7 т. C/ч), EU 27 (2. 0 т. C/ч), India (0. 5 т. C/ч) Chinese per capita emissions are almost equal to the EU 27, and 36% higher than the global average Source: CDIAC Data; Le Quéré et al. 2012; Global Carbon Project 2012

СО 2 в атмосфере, ppm Сравнение трендов эмиссии СО 2 от сжигания ископаемого топлива и ростом концентрации СО 2 в атмосфере Суммарный сток СО 2 (наземный+океан) Ожидаемый тренд концентрации СО 2 в атмосфере от сжигания ископаемого топлива Фактический тренд концентрации СО 2 в атмосфере от сжигания ископаемого топлива WMO GREENHOUSE GAS BULLETIN. No 10, 6 November 2014

Остающаяся в атмосфере СО 2 , , % от ее общей эмиссии 1. 0 Доля от общей эмиссии СО 2 Trend: 0. 27± 0. 2 % y-1 (p=0. 9) 0. 8 45% 40% 0. 6 0. 4 0. 2 1960 1970 1980 1990 Le Quéré et al. 2009, Nature-geoscience; Canadell et al. 2007, PNAS; Raupach et al. 2008, Biogeosciences 2000 2010

Изменение глобального цикла С, вызванного антропогенной деятельностью за 2005 -2014 (Гт С/год) Промышленная эмиссия 9± 0. 5 Прирост в атмосфере 4. 4± 0. 1 Изменение землепользования 0. 9± 0. 5 Наземный сток 3. 0± 0. 8 Океанический сток 2. 6± 0. 5

Прибавка в общей биомассе (надз. + корни) древесных насаждений, произраставших при повышенной концентрации атмосферной СО 2 (обобщение по 102 различным экспериментам [Curtis & Wang, 1998]) Среднее: 28. 8± 2. 4%

УГЛЕРОД В ОКЕАНИЧЕСКОЙ ВОДЕ • СО 2 – газ, ≈ 1% • НСО 3 - - бикарбонат, ≈90 % от растворенного С • СО 32 - - карбонат ≈5 – 10% • Сорг – зависит от биологической активности и может сильно варьировать, в среднем составляя ≈5%

ФОРМЫ УГЛЕРОДА И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ОКЕАНИЧЕСКОМ РЕЗЕРВУАРЕ • СО 2 – газ, НСО 3 - - бикарбонат, СО 32 - карбонат состоят практически всегда в равновесии • Парциальное давление СО 2 , растворенного в океане, определяется соотношением концентрации этого газа и его растворимостью • Константы реакции и растворимость находятся в зависимости от температуры, солености воды и давления

Global Atmospheric Watch (WMO/GAW) Monitoring Sites for CO 2 Monitoring Stations for Carbon Dioxide (CO 2)

• • • КОНЦЕНТРАЦИЯ СО 2 в атмосфере может изменяться под действием некоторых климатических явлений. Например, повышение нагрева поверхности океана каждые 4 – 5 лет (явление El-Nino). Это способствует дополнительному выделению около 1 млрд т ССО 2 МОГУТ ЛИ ДВА КРУПНЕЙШИХ РЕЗЕРВУАРА – ОКЕАН И НАДЗЕМНАЯ БИОМАССА - быть беспредельными в сорбции СО 2 и нейтрализовать дополнительный тепловой эффект? РОЛЬ ОКЕАНА. В прошлые эпохи между ледниковым и межледниковым периодами колебания температуры сопровождались значительными изменениями концентрации СО 2. Полагают, что данные эффекты вызывались океаном. • • В ОКЕАНЕ РАСТВОРЕННОГО СО 2 примерно в 50 -60 раз больше, чем в атмосфере ОКЕАН И АТМОСФЕРА обменивают СО 2 в высоком ритме. СО 2 атмосферы обновляется каждые 8 лет УГЛЕРОД, растворенный в океане, регулируется огромным резервуаром С, сосредоточенного в осадках, богатых Са. СО 3 В геологическом масштабе времени именно ОКЕАН УПРАВЛЯЕТ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ СО 2 в атмосфере

Air-sea CO 2 fluxes Red Areas: Oceanic Source of CO 2 Blue Areas: Oceanic Sinks of CO 2 Takahashi et al. , 2002

• Поскольку в океане СО 2 в • 50 – 60 раз больше, чем в атмосфере, то из введенного в систему количества углекислоты, эквивалентного атмосферному резервуару, 5/6 окажутся в океане, а остальное в атмосфере • • антропогенный СО 2 в концеконцов большей частью будет абсорбирован океаном и концентрация СО 2 в атмосфере повысится только на 1517% Происходит быстрое увеличение концентрации СО 2 в атмосфере и ОКЕАН не успевает абсорбировать его достаточно быстро ТРАНСПОРТ СО 2 в океане – океанические течения. Для обновления глубинных вод требуется 500 -1000 лет

Метан • МЕТАН - СН 4 - газ с • тепличным эффектом. Всегда был распространен в атмосфере независимо от деятельности человека За 15 тыс лет (с конца последнего ледникового периода) произошло увеличение концентрации СО 2 с 190 до 280 ррm, тогда как СН 4 – с 0. 35 до 0. 70 ppm • С 19 века концентрация • АНАЛИЗ ПУЗЫРЬКОВ СН 4 вновь удвоилась: с ГАЗА во льдах 0. 7 до 1. 72 ppm Антарктики и Гренландии позволил восстановить • В настоящее время эволюцию содержания в средняя концентрация СН 4 атмосфере СН 4 в течение в атмосфере составляет 160 тыс лет 1. 72 ppm и общая масса 4900 Mт. Увеличение – на 40 Мт/год

Образование метана • БОЛЕЕ ПОЛОВИНЫ • СН 4 образуется в СОВРЕМЕННЫХ результате анаэробного ИСТОЧНИКОВ СН 4 – разложения хозяйственная органического вещества деятельность человека (болота, рисовые (добыча, хранение и плантации, океан) и у транспорт ископаемого жвачных животных, топлива); рисовые некоторых насекомых плантации (термиты). Источником метана являются отходы, • В АТМОСФЕРЕ метан свалки, лесные пожары и окисляется до СО и СО 2. др. В почве метан окисляется • Режим орошения, метанокисляющими удобрения сильно влияют микроорганизмами на образование метана в рисовых чеках • Среднее время пребывания СН 4 В • ОКЕАН – слабый источник АТМОСФЕРЕ – 10. 6 лет метана

Динамика концентрации СН 4 в атмосфере (MLO – станция Manua Loa; SPO – South Pole Station)

Судьба антропогенной эмиссии CO 2 (С) (среднее за 2004 -2013 гг. , Gt/год ) 32. 4± 1. 6 (8. 9± 0. 4) 91% 15. 8± 0. 4 (4. 3± 0. 1) 44% 3. 3± 1. 8 (0. 9 ± 0. 2) 9% 35. 7 (9. 8) 100% 10. 5± 1. 8 (2. 8± 0. 1) 29% 9. 4± 1. 8 (2. 6± 0. 1) 27% 1 Gt. C = 3. 664 billion tonnes CO 2 = 3. 664 Gt. CO 2 Source: CDIAC; NOAA-ESRL; Houghton et al 2012; Giglio et al 2013; Le Quéré et al 2014; Global Carbon Budget 2014

Индустриальная эмиссия СО 2 за 1751 -2000 гг. кумулятивная глобальная эмиссия СО 2 при сжигании ископаемого топлива составила 250 Gt C, из них: 25% за период до 1950 г 50% за период до 1973 г 75% за период до 1985 г С 2000 по 2014 гг. ~ 100 Gt Резервуар ископаемого топлива – 5000 Gt

Fossil Fuel and Cement Emissions Global fossil fuel and cement emissions: 9. 7 ± 0. 5 Gt. C in 2012, 58% over 1990 Projection for 2013 : 9. 9 ± 0. 5 Gt. C, 61% over 1990 Uncertainty is ± 5% for one standard deviation (IPCC “likely” range) With leap year adjustment: 2012 growth rate is 1. 9% and 2013 is 2. 4% Source: Le Quéré et al 2013; CDIAC Data; Global Carbon Project 2013

Top Fossil Fuel Emitters (Absolute) Top four emitters in 2012 covered 58% of global emissions China (27%), United States (14%), EU 28 (10%), India (6%) With leap year adjustment in 2012 growth rates are: China 5. 6%, USA -4. 0%, EU -1. 6%, India 7. 4%. Source: CDIAC Data; Le Quéré et al 2013; Global Carbon Project 2013

Territorial Emissions as per the Kyoto Protocol The Kyoto Protocol was negotiated in the context of emissions in 1990 The global distribution of emissions is now starkly different Source: CDIAC Data; Le Quéré et al 2013; Global Carbon Project 2013

Atmospheric Concentration The pre-industrial (1750) atmospheric concentration was around 277 ppm This increased to 393 ppm in 2012, a 42% increase Source: NOAA/ESRL Data; Global Carbon Project 2013

Прогноз ожидаемых изменений приповерхностной глобальной температуры до 2040 года с учетом концентрации СО 2 и фазы квази-60 -летнего колебания Источник: Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата. М. 2014

Соотношение эмиссии СО 2 в атмосферу за счет природных и антропогенных источников С-СО 2, % Гт Мировая эмиссия СО 2 (всего), 231 100 в том числе: Природные источники (всего) * 220 95 в том числе: • дыхание наземной биоты 65 28 • дыхание почвенной биоты 65 28 • дыхание океанической биоты 90 39 Антропогенная деятельность (2014 г. ) ** 11 5 в том числе: • сжигание ископаемого топлива 10. 0 4. 3 • изменение землепользования (сведение 1. 5 0. 5 лесов, распашка целинных земель и др. ) Источники * IPCC, 2000; **Le Quéré C. , et al. 2014

Глобальный наземный сток СО 2 20 Tрeнд: 0. 11 % год-1 (p=~0. 9) 20 10. 5 СО 2, Gt/г. 10 10 4. 5 0 0 1 Gt. C = 3. 664 млрд. т CO 2 = 3. 664 Gt. CO 2 -10 Индивидуальные модели На основе баланса углерода Тренд -10 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2013 Наземный сток CO 2 в 2013 г. достиг 10. 5± 1. 8 Gt. CO 2/г или 2. 8± 0. 5 Gt C. Характерна высокая межгодовая вариабельность. Многолетний тренд разности между антропогенной эмиссией CO 2 и его остаточным количеством в атмосфере свидетельствует об увеличении абсолютного стока CO 2. Общие потоки CO 2 на суше в значительной степени подвергнуты атмосферным инверсиям. Источник: Le Quéré et al. 2009, 2014; Global Carbon Project 2014. Individual estimates from Zhang et al. (2013); Oleson et al. (2013); Jain et al. (2013); Clarke et al. (2011); Smith et al. (2001); Sitch et al. (2003); Stocker et al. (2013); Krinner et al. (2005); Zeng et al. (2005); Kato et al. (2013); Peters et al. (2010); Rodenbeck et al. (2003); Chevallier et al. (2005). References provided in Le Quéré et al. (2014).