Цикл углерода В биогеохимических циклах

Цикл углерода

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.

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.

Экспонента Символ Приставка Единицы измерения (латинская) массы 10 18 E exa 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

ГЛАВНЫЕ ФОРМЫ УГЛЕРОДА В АТМОСФЕРЕ Газ Концентрация, Общее ppm количество, Gт Углекислый газ - СО 2 395 730 Метан - CH 4 1. 7 3 Окись углерода - CO 0. 09 0. 2

Средняя глобальная концентрация CO 2 (a) и ее скорость прироста (b) с 1983 по 2008

Динамика атмосферной концентрации CO 2 за прошлые 450 тыс. лет

Main reservoirs and effluxes of С on the Globe (Gt) Increase in atnosphere 750 atmosphere +5. 2 60 90 60 120 Biotа 560 Fossil fuel Land use Changes 9. 7 1. 5 60 soil 1500 92 Fossil fuels ocean 39000 5000

Соотношение основных источников СО 2 на Земле (%)

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

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 (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

Промышленная эмиссия СО 2 в Fossil and Cement Emissions Мире в 1990 -2012 гг. 2012 г. : 9. 7± 0. 5 Pg. C, на 58% выше 1990 г. Киото Uncertainty is ± 5% for one standard deviation (IPCC “likely” range) Source: Peters et al. 2012 a; Le Quéré et al. 2012; CDIAC Data; Global Carbon Project 2012

Главные эмиттеры СО 2 в мире Выбросы СО 2 четырьмя главными эмиттерами в 2011 г. составляли 62% от общей глобальной эмиссии: КНР – 28%; EU 27 – 11%; Индия – 7% Скорость прироста эмиссии в 2011 г. Китай - 9. 9 % США – 1. 8% EUR 27 - 2. 8% Индия – 7. 5% Source: CDIAC Data; Le Quéré et al. 2012; Global Carbon Project 2012

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

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

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

Распределение между стоками эмитированного в атмосферу СО 2 Средний сток СО 2 с 1959 г: 44% в атмосфере, 28% в наземных экосистемах и 28% в океане Source: Le Quéré et al. 2012; Global Carbon Project 2012

Fate of Anthropogenic CO 2 Emissions (2003 - 2012 average) 8. 6 ± 0. 4 Gt. C/yr 92% 4. 3± 0. 1 Gt. C/yr 45% + 2. 6 ± 0. 5 Gt. C/yr 0. 8 ± 0. 5 Gt. C/yr 8% 27% 2. 6 ± 0. 8 Gt. C/yr 27% Calculated as the residual of all other flux components Source: Le Quéré et al 2013; CDIAC Data; Global Carbon Project 2013

Радиационное воздействие парниковых газов WMO, 2010

Наблюдаемая и прогнозируемая техногенная эмиссия СО 2 в Мире Сохранение настоящей тенденции антропогенной эмиссии к концу века вероятно приведет к повышению средней глобальной температуры до 4. 0 -6. 1ºC Linear interpolation is used between individual datapoints Source: Peters et al. 2012 a; Global Carbon Project 2012;

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 2013 гг. ~ 100 Gt Резервуар ископаемого топлива – 5000 Gt

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

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 • Происходит быстрое 50 – 60 раз больше, чем в увеличение атмосфере, то из концентрации СО 2 в введенного в систему атмосфере и ОКЕАН не количества углекислоты, успевает эквивалентного абсорбировать его атмосферному резервуару, достаточно быстро 5/6 окажутся в океане, а остальное в атмосфере • ТРАНСПОРТ СО 2 в • антропогенный СО 2 в конце- океане – океанические концов большей частью течения. Для будет абсорбирован обновления глубинных океаном и концентрация вод требуется 500 -1000 СО 2 в атмосфере лет повысится только на 15 - 17%

Метан • МЕТАН - СН 4 - газ с • За 15 тыс лет (с конца тепличным эффектом. последнего ледникового Всегда был периода) произошло распространен в увеличение концентрации атмосфере независимо от СО 2 с 190 до 280 ррm, деятельности человека тогда как СН 4 – с 0. 35 до 0. 70 ppm • АНАЛИЗ ПУЗЫРЬКОВ • С 19 века концентрация ГАЗА во льдах СН 4 вновь удвоилась: с Антарктики и Гренландии 0. 7 до 1. 72 ppm 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

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

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

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

Emissions from Coal, Oil, Gas, Cement Share of global emissions in 2012: coal (43%), oil (33%), gas (18%), cement (5%), flaring (1%, not shown) With leap year adjustment in 2012 growth rates are: coal 2. 5%, oil 0. 9%, gas 2. 2%, cement 2. 2%. Source: CDIAC Data; Le Quéré et al 2013; 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