Официальный сайт журнала "Экология и Жизнь"
You need to upgrade your Flash Player or to allow javascript to enable Website menu.
Get Flash Player  
Всё об экологии ищите здесь:
  Сайт функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям  
Сервисы:
Каналы:
Каналы:
Блоги:
Дайджесты,
Доклады:

ЭКО-ВИДЕО



Реклама


Translate this page
into English

Translate.Ru PROMT©


Система Orphus


Главная О НАС / ABOUT US Статьи НОВЫЙ МЕХАНИЗМ ПОГЛОЩЕНИЯ УГЛЕРОДА. ОТЫСКАНИЕ MISSING SINK

НОВЫЙ МЕХАНИЗМ ПОГЛОЩЕНИЯ УГЛЕРОДА. ОТЫСКАНИЕ MISSING SINK

В настоящее время на международном уровне создана система учета выбросов парниковых газов на основе национальных систем учета выбросов и поглощений. Действенность этих систем в учете поглощений вызывает сомнения из-за сложностей локального контроля углекислого газа в атмосфере и неопределённостей баланса лесного хозяйства. В данной статье это объясняется тем, что основную роль в учетах поглощения углерода должны играть необратимые абиотические механизмы вывода углерода из круговорота веществ, противоположные сжиганию ископаемого топлива. Улавливание и фиксация углерода экосистемами – обратимый процесс, первый шаг к его выводу из атмосферы. Осуществятся ли при этом следующие шаги, ведущие к необратимому связыванию углерода, зависит главным образом от взаимодействия экосистем с водными потоками, формирующими материковый сток. В работе приведены оценки, которые на порядок повышают существовавшие ранее величины выноса углерода с речным стоком. вывод, что материковый сток является главным механизмом, ведущим к захоронению углерода.

Оценки поглощений углерода и проблема «missing sink»

Величины оценок поглощения экосистем суши в работах разных исследователей сильно различаются. Например, по данным работы /1/ основанной на анализе баз данных системы учета FLUXNET поглощение экосистем суши оставляет 4,3 Гт в год, что определяется как разность собственного дыхания растений в размере 118,7 Гт/ год, и поглощения за счет фотосинтеза в размере 123 Гт/год.  Если компьютерные модели экосистем дают для северных лесов оценки более 2,5 Гт/год то оценки по базам данных снижают эти оценки до 1,5 Гт в год для всего Северного полушария.

Инструментальные оценки, основанные на прямых замерах СО2 воздуха, проводимые с помощью забора с самолетов (проект NACA), еще более занижает величины поглощения. Например, по мнению Дэвида Шиммеля (NASA Jet Propulcen Laboratiry) /3/, тропические леса поглощают 1,4 миллиарда тонн углекислого газа, тогда как глобальное поглощение экосистем суши не превышает 2,5 млрд т. С/год. При этом идут также споры о роли саванн, которым отводится примерно 25% общего поглощения суши.

В тоже время прямой расчет поглощения СО2 лесами может быть проведен на основе данных по поглощению модельных лесов, которые дают в среднем 3 тонны СО2 на гектар, а по данным ФАО для азиатских лесов эта величина – 5 тонн/га, т.е. в пересчете на углерод поглощение варьирует в районе 0,8-1,4 т.С/га. Эта величина даст поглощение порядка 1 Гтн для площади лесов только России, составляющей около 25% лесов мира. Соответственно оценка мирового поглощения леса составит 4 Гтн, что никак не укладывается в инструментальные оценки.

Рассмотрим также классическую методику оценки пророста СО2 в различных регионах планеты по данным наземных измерительных станций — временные ряды Киллинга, отсчет которых начат в 1958 г.:

Рис.1 Классическая кривая Киллинга – концентрация СО2 растет из года в год, причем рост хорошо аппроксимируется линейной функцией

 

В 1958 году Дэвис Киллинг начал измерения и вскоре обнаружил, что размах колебаний на кривой, отражающей средние годовые концентрации СО2 закономерно увеличивается по мере продвижения на север. Сравнивая Гавайи и Южный полюс он обнаружил отсутствие колебаний концентрации СО2 на Южном полюсе. Размах колебаний Киллинг связал с циклом вегетации, причем для лесов более теплого — Северного полушария, эта связь наиболее ярко выражена. Этот вывод был подтверждён изотопным анализом, так как соотношение изотопов С14 и С12 в углекислом газе зимой и летом изменяется. Летом количество радиоактивного изотопа растет — это происходит потому, что ископаемые топлива не содержат радиоактивных изотопов, так как их возраст исчисляется миллионами лет, тогда как время радиоактивного распада для 14С – всего 5700 лет.  Весной в атмосфере становится больше изотопов углерода 14С и это обусловлено нарастанием «выдоха» лесов, обогащенным «свежими» изотопами.

По большей глубине спада концентрации СО2 в Северном полушарии во время вегетационного периода судят именно о преобладающем вкладе таежных (бореальных) лесов. Привлечение большего числа промежуточных станций для измерения размаха колебаний СО2 позволило уточнить, что в районе экватора размах колебаний составляет примерно 10 ppm, тогда как наибольший размах дают данные Barrow,  Alaska 73 град. С.ш. (размах колебаний более 15 ppm). Станция в провинции Альберта, Канада (гора Альберта, 51 град. с.ш) дает размах колебаний несколько меньше 15 ppm, но больше 10 ppm, наблюдающихся на станции Mauna Loa (Гавайи), где проводил замеры сам Киллинг:

­­­­

РИС 2. Размах колебаний в зависимости от широты

Размах более 15 ppm – в наиболее северных точках.

Важная особенность кривой Килинга состоит в том, что прирост концентрации за 50 лет составлял в среднем 1,8-1,9 ppm/год (т.е. составляет величину порядка 0,5%/год).

Мгновенная скорость роста сильно менялась — от значения 0,75 ppm/год в 1959 году, до 2,25 ppm/год в 2010  и в целом скорость роста СО2 растет экспоненциально, если смотреть на большом масштабе времени, доступном при совмещении наблюдений Киллинга и данных ледяных кернов:

Тем не менее, это не меняет оценку, с удовлетворительной точностью среднего прироста за последние пять десятков лет на уровне 0,5% в год.

Однако прирост СО2 на уровне 0,5% в год сильно отстает от темпа роста выбросов, который в первой декаде 21 века составляет порядка 3%/год, т.е. в 6 раз превышает реальный средний прирост СО2.

В то же время оценки скорости запасания углерода, на уровне 3 Гтн./год, полученные NACA для суши почти в 3 раза меньше среднего темпа антропогенного выброса в размере 9 Гтн/год. Но этого явно недостаточно для объяснения столь малой скорости роста концентрации СО2.

Таким образом темп запасания углерода в биосистемах суши — около 3 ГтнС/год должен быть дополнен стоком в океан в размере не менее 3,5 ГтнС/год, чтобы обеспечить полный сток на уровне 6,5-6,7 Гтн, который необходимым для поддержания темпов реального роста концентрации СО2 на нынешнем относительно низком уровне.

Эти оценки входят в конфликт с имеющимися глобальным оценками работы /4/, по данным которой с 1960 по 2010 гг. поглощение СО2 всеми экосистемами суши и поверхности океана всё время возрастало со средней (постоянной) скоростью 0,05 Гт углерода в год, нарастало и общее поглощение – для всей поверхности земного шара (включая океан) за 50 лет оно увеличилось в два раза: с 2,4±0,8 до 5,0±0,9 млрд. тонн углерода в год. При этом поглощение океаном оценивается как постоянное закисление на уровне 2,5 млрд. тонн С/год.

Баланс атмосферы по углероду складывается из поступление и вывода. Данные по сжиганию ископаемого топлива и обезлесению говорят о том, что в период 2002-2011 в атмосферу попадало ежегодно примерно 9,3 млрд. т.С. Согласно балансу, подведенному авторами исследования, поглощено растительностью суши —  28% или 2,6 млрд. т. С., 2,5 млрд. тонн (26%) – уходило в океан, а остальные 46% увеличивали концентрацию газа в атмосфере, добавляя в атмосферу примерно 4,3 Гт С/ год.

Однако данные работы расходятся с результатами оценок по кривой Киллинга, которая растет со скоростью, отвечающей добавке в атмосферу не более 3,8 Гт/год. Еще более разительна разница в оценке общей поглощающей способности океана, если учесть данные Шиммеля /3/ — о том, что инструментально экоситемы суши «доказывают» поглощение 3 ГтнС/год  - оценки поглощения океана расходятся как минимум на величину1 Гтн С/год.

Вопрос о происхождении этих различий является дискуссионным – его иногда называют проблемой «потерянного стока» или «missing sink». Эту проблему в явном виде сформулировал академик  Г.А.Заварзин в своей монографии /5/

Там же он также оценил запас углерода в почвах России, накопленный за время голоцена – 8 тыс. лет, величиной 300 Гтн. Однако и в этой оценке присутствует «missing sink» — поскольку средний годовой сток за эти тысячелетия должен был составлять не более 300/8 =37,5 млн. тоннС/год! Для России эта оценка представляется явно и существенно заниженной, но непонятно, где тогда остальной углерод, который должен был быть запасен за этот исторический период. Далее мы отвечаем на этот давно назревший вопрос.

Что доминирует в поглощении углерода –  время «работы» фотосинтеза или высокие широты?

Корректный учет темнового дыхания растений требует сравнения времени «работы» фотосинтеза и дыхания – следует учитывать световой день в тропиках и полярную ночь и полярный день – в высоких широтах, а также различие в числе месяцев, возможных для вегетации в тропиках (круглый год) и в высоких широтах.

При постановке этого вопроса требует объяснения зависимость, показанная на Рис.2 – когда поглощение возрастает по мере продвижения в высокие широты. Исходя из оценок времени «работы» фотосинтеза, такая зависимость становится, мягко говоря, неочевидной. В тоже время выводы работ, увеличивающих роль тропических лесов при этом получают обоснование.

Действительно, вегетационный период в северных лесах длится примерно 4 месяца. В тоже время тропиках сезон дождей длящийся с мая по октябрь – 6 месяцев, означает период, когда резко меняется характеристика обводнения почвы – она становится преимущественно водопокрытой и пересышенной влагой, что смещает метаболизм почвенных бактерий в сторону метаногенности.

Для приблизительной сравнительной оценки периодов поглощения лесов мы можем принять, что время поглощения углерода северными лесами равно 4 месяцам, а время преобладания поглощения над суммарной эмиссией парниковых газов в тропических лесах – 6 месяцев, откуда получаем правдоподобную оценку долевых вкладов поглощающей способности северных и тропических лесов как ⅔ (4/6)=66%.

В тоже время по данным работы Шиммеля /2/, соотношение долей составляет 1,1/1,4=78%, что  близко к ¾, т.е. относится к 4-м  месяцам из 12-ти.

 

Еще одной возможностью анализа является то, что можно ожидать, что в тропических лесах эмиссия происходит более эффективно в виде метана, а не в виде СО2. Разница между оценкой массовых вкладов тропических и северных лесов в 78% и 66%, составляющая 12%, может быть отнесена таким образом на счет неучтенного метана. При этом, если массовый вклад метана в баланс невелик, то его действие, с точки зрения теплового форсинга, несомненно намного (оценочно — в 30 раз) больше, чем у углекислого газа. Вполне возможно, однако, что эффект форсинга метана должен «смягчаться» снижением времени его жизни при повышенных температурах воздуха, характерных для тропиков (распад метана контролируется реакцией, скорость которой экспоненциально зависит от температуры). Поглощение метана интенсифицируется в летнее время и преимущественно днем, но не из-за деятельности растений, а вследствие эффектов прямого фотолиза воды под действием УФ излучения. В ходе фотолиза вода распадается на водород и окислительный радикал ОН, который контролирует связывание метана путем его окисления до СО2. Поэтому для метана в конечном итоге депонирование углерода происходит через механизмы, работающие и для СО2.

Механизм растворения газов

Углекислый газ инертен, поэтому химическое связывание напрямую, без фиксации в некотором субстрате, ему практически «не грозит». Однако он очень хорошо растворим в воде, поэтому вода и является важнейшим субстратом для фиксации газообразного СО2. В этой связи растворение в воде нами рассматривается как механизм более эффективный и альтернативный к общепринятому механизму фиксации СО2 в биомассе растений путем фотосинтеза.

Для рассмотрения растворения СО2 в планетарных масштабах, особое значение приобретают высокие широты и большие глубины океана (Гиполимнион), которые обладают тем отличием, что при снижении температуры растворимость углекислого газа в них растет:

Именно этим обусловлен мощный поток поглощения СО2 в океане, причем насыщаются только верхние – сравнительно теплые слои океана (100-150 метров), тогда как более глубокие слои океана, лежащие под так называемым «термоклином» (они называются в стратифицированных водоемах «гиполимнион», как слой расположенный ниже границы конвективного перемешивания), остаются ненасыщенными по СО2  и тем самым представляют собой гигантский «сток», постоянно действующий и далекий от какого либо насыщения резервуар для захоронения СО2.

Проблема закисления океана существует только на так называемой «мелкой воде» – на глубинах, где перемешивание эффективно выравнивает температуру, в результате чего потоку растворяющегося СО2 некуда отводится. При этом нагрев дна лучами солнца способствует уменьшению растворимости газа.

В тоже время в глубоких водах существуют так называемые «мертвые воды» или олиготрофные воды, практически лишенные как кислорода, так и СО2 -  там все кислородсодержащие соединения (!) съедены бактериями или переведены в низко-окисленную форму – даже крайне устойчивый оксид азота NO2 теряет там кислород за счет деятельности бактерий и превращается в закись азота — N2O.

В тоже время, при рассмотрении процессов, происходящих на суше, на наш взгляд недостаточно учитывается растворение СО2 в водах, находящихся во взвешенном виде – в состоянии тумана, низкой облачности, и что особенно важно – в речном стоке.

Этот процесс обладает явным преимуществом простоты объяснения зависимости колебаний, систематически увеличивающих свой размах по мере продвижения в высокие широты (см Рис.1) тем, что в высоких широтах в летний период, совпадающий с периодом вегетации северных лесов, в этой же зоне возникают большие объемы воды, которые активно растворяют СО2. Эти большие объемы обусловлены прежде всего таянием весной мерзлоты в сочетании с туманным механизмом водообмена таежных биомов.

Однако само по себе поглощение должно быстро выходить на насыщение, поэтому для того, чтобы объемы поглощения были значительны, необходимо, чтобы поглощающие воды были проточными. Условиям протока и движения в сторону увеличения растворимости отвечают реки, текущие на Север — Енисей, Лена, Обь, Кама, Северная Двина и многие другие реки Сибири. Один из принципиальных факторов по этому механизму состоит в том, что великие реки России несут свои воды на Север и впадают в холодные океаны. При этом происходит комплекс процессов – с одной стороны растворимость СО2 в соленой воде меньше, чем в пресной – и поэтому устья рек должны характеризоваться повышенным выходом углекислого газа, однако за счет разницы температур между верховьями и устьем, этот эффект может быть элиминирован.

Оценку связывающей для углерода способности бассейна водостока сибирских рек можно провести через суммарный водосток рек в северные моря. Суммарный водосток этих рек в океан оценивается величиной порядка 2500 к м³ в год. При растворимости СО2 в районе 2-3 гр на кг воды, годовой поток СО2, переносимый течением рек составляет 5-7,5 Гт СО2 (с учетом того, что вес одного к м³ воды равен 1 млрд тонн), или в пересчете на углерод — от 1,4 до 2  Гтн С/год.

В этой цифре еще не учтен углерод, который выделяется с метаном, поступающим в моря вместе со стоком великих рек (мы оценим его далее). Пластовые льды вечной мерзлоты в тысячи раз пересыщены метаном /6/. В ряде мест имеются и потоки, связанные с просачиванием потоков из месторождений газа и газовых гидратов, расположенных в шельфовых зонах океана. Метан попадает в водосток сибирских рек главным образом при таянии вечной мерзлоты. Этот процесс интенсифицируется в течении лета и достигает максимума в сентябре.  При этом в реки попадают стоки, содержащие пузырьки метана или насыщенные метаном. Происходит это благодаря на порядки более высокой, чем в воздухе (где метан содержится в среднем в концентрации 1,8 ppm) концентрации метана в мерзлых песках и пластовых льдах. По данным И.Д.Стрелецкой с соавторами минимальная концентрация метана в мерзлых отложениях характерна для песков и составляет 15–100 ppm. Максимальная концентрация метана характерна для глин морского генезиса – до 3000 ppm. Концентрация метана в полигональножильных льдах 100–700 ppm, а в пластовых льдах – до 10 тыс. (10000) ppm /6/.

Данная гипотеза дает новый виток оценке роли тайги/бореальных лесов лесов в Северном  полушарии. Этот виток связан с оценкой значения вечной мерзлоты, а также леса не только как регулятора отношения СО2/О2, но важнейшего из регуляторов оборота подземной и приземной влаги, которая в свою очередь оказывается способной запасать гораздо большие количества СО2, чем можно было предположить ранее.

Именно роль влаги может позволить объяснить Рис.2, тогда как с точки зрения фотосинтеза тайга должна была бы уступить пальму первенства тропическим лесам в конкуренции за первенство в деле управления балансами углекислого газа.

Но если бы действительно лидировали тропические леса, то Рис.2 должен был бы выглядеть совершенно иначе – максимальный размах колебаний приходился бы на экваториальную или близкую к ней зону (возможно немного смещенную в Северное полушарие, но никак не распространяющееся на него полностью!).

Для великих рек Сибири механизм сбора растворенного СО2, основанный на повышении растворимости при снижении температуры, обладает способностью самоподдержания (положительная обратная связь), которая связана с движением воды на Север. Развитие цикла сопровождается снижением температуры и тем самым – создает «насос» для перекачивания СО2 в Северный океан. Водоросли и планктон активно перерабатывают этот газ в кислород и сами активно растут. Богатая кислородом и планктоном вода активно способствует росту популяций рыб – на побережье рыба просто «кишит» — чукчи ловят рыбу голыми руками и питаются ей круглый год, кислород  усваивается экосистемой северных морей.

Пресные воды, обогащенные СО2, «растекаются» из устья рек по поверхности океана, где создают бинарный – пресно-соленый слой. Слои имеют разное поверхностное натяжение, что запускает механизм поверхностной конвекции Марангони (насыщенность углекислым газом и метаном также изменяет поверхностное натяжение). В тоже время ветровой напор усиливает конвективное перемешивание, дополняя механизм перемешивания объемной конвекцией Релея, на фоне активизации при расслоении механизма конвекции, движителем которой является разность плотностей при изменении солености воды (термохалинная конвекция).

Все это приводит к активации планктонных сообществ питающихся СО2, что особенно усиливается потепление климата. В результате в Арктике и в Антарктиде все чаще обнаруживают «зеленые» льды – содержащие вмерзшие в них сине-зеленые водоросли.

Не так давно – в 2012 году, сделано открытие, которое подтверждает, где именно происходят процессы перераспределения углерода – как оказалось, это происходит в северных морях – см. https://blogs.voanews.com/science-world/2012/06/15/nasa-makes-surprise-discovery-in-arctic-ocean/

«Мы сделали открытие, которое можно сравнить с тем, если бы мы нашли амазонские тропические леса в пустыне Мохаве, — говорит Пола Бонтемпи (Paula Bontempi), морской биолог НАСА и руководитель биохимической программы. Мы решили организовать экспедицию ICESCAPE, чтобы подтвердить данные, полученные спутниками, наблюдающими за океаном в этих местах, хотя сюда было очень сложно добраться». Микроскопические растения или фитопланктон являются частью морских пищевых цепочек. Считалось, что фитопланктон разрастается в Северном Ледовитом Океане только тогда, когда морской лед начинает отступать в летний период. Ученые полагают, что сейчас из-за того, что арктический лед стал тоньше, это позволило солнечному свету проникать сквозь него к воде, что помогло появиться растениям, которых раньше тут не наблюдалось. Быстрорастущий фитопланктон потребляет огромное количество углекислого газа. Ученые НАСА сделали вывод, что им придется пересмотреть количество углекислого газа в Северном Ледовитом Океане, если окажется, что биологическая активность подо льдами – обычное явление.

То, что этот баланс действительно придется пересмотреть, подтверждает то, что и в море Росса, примыкающем к Антарктиде в Южном океане, происходят аналогичные явления. Последние пять лет – начиная с 2012 года и до настоящего времени, в море Росса отмечен значительный рост фитопланктона в конце февраля и начале марта. Спутниковые фотографии льдов приобретают зеленый цвет http://replyua.net/novosti-v-mire/58572-antarktida-teper-zelenaya-snimki-sdelannye-sputnikom.html в связи с чем появился даже термин «Зеленая Антарктида».

Однако в Арктике расцвет фитопланктона происходит интенсивнее, чем в Южном полушарии — осенью может возникать второй сезон цветения водорослей, если морской лед отступает.

Транспорт углекислого газа

Для понимания транспорта углекислого газа принципиальное значение имеет высокая концентрация СО2 в почве. Максимальное содержание углекислоты в почвенном воздухе — отмечается на глубине 90–180 см, где концентрация углекислого газа в течение всего года составляет 8–12%, в то время как в поверхностных горизонтах, вследствие активного газообмена с атмосферой, она понижается до 2% и падает до 0,04% (400 ppm CO2) в открытой атмосфере. При этом в течение года концентрация диоксида углерода в почве имеет четко выраженный максимум (!) в вегетационный период. Это позволяет утверждать, что вся вода, просачивающаяся в летний (вегетационный!) период через почвенный покров, оказывается также насыщенной СО2 до предела растворимости, причем поскольку по мере просачивания вглубь температура почвы, как правило, снижается (это правило не знает исключений для северных широт, особенно если внизу – вечная мерзлота!), то в результате количество растворенного СО2 возрастает по мере просачивания воды по корневой системе каналов и дальнейшего подземного водостока в реки.

Этот механизм насыщения работает и для поверхностного стока на лесных почвах, так как в лесном опаде формируются наиболее эффективные микробные сообщества, эффективно превращающие органику в гумус – активизируя процессы гниения, в результате которых выделяется СО2, который и насыщает почву углекислым газом путем просачивания воды.

Таким образом гипотеза водного стока позволяет учесть важный дополнительный механизм запасания углерода, работающий в таежных лесах Северного полушария, который опирается на роль леса в изменении соотношения поверхностного и подземного стока воды. Эта роль леса многократно и горячо обсуждалась на протяжении 20-го века (Роман Леонова «Русский лес» запечатлел политизированный фрагмент этих споров). В «сухом» остатке споров -  неопровержимо доказано, что сведение лесов приводит к заболачиванию почв, т.е. фактически исчезновению подземного стока и смене типа поверхностного стока и типа дыхания почвы. Поэтому можно утверждать, что именно леса вносят главный вклад в формирование водосбора рек.

Материковый сток

Необходимо отметить ошибочность акцентирования внимания на лесах как главным поглотителей СО2. Дело в том, что продукция и деструкция органического вещества в экосистемах почти точно равны и из 1200 млн т органического вещества, образующегося при фотосинтезе, за тот же период 99% разрушается и переходит обратно в СО2. В итоге время пребывания углерода в составе биоты невелико (таблица).

Массы и время пребывания углерода в резервуарах геосферы

Резервуар

Масса углерода, 1015 г

Время пребывания, годы

Атмосфера

590

4

Биота суши

0.56

15

Биота океана

0.007

0.04

Почвы

4

30

Водная толща океана

38000

380

Донные отложения океана

7000000

n´108

Породы зоны гипергенеза

?

n´108

Небольшое время пребывания углерода в перечисленных резервуарах означает, что накопление его в любом из них на временном интервале £30 лет является обратимым. Отсюда следует, что при достижении стационарного состояния (рисунок) конечный результат антропогенного вброса СО2 в распределение добавочного углерода по резервуарам географической оболочки (геосферы) пропорционально исходному распределению масс. В этом случае в биоте суши на указанном временном интервале может задержаться не более 0.1% техногенных выбросов СО2.

 

Условие стабильности SJ = 0

То, что леса не могут выступать долгосрочными эффективными поглотителями антропогенного СО2 следует также из сравнения текущей и максимально возможной биомасс лесов:

Биомасса современных лесов                                   755 млрд. т С

Биомасса доисторических лесов                               980 -»-

Предельное связывание СО2 в биомассе

новых лесов при переводе освоенных

территорий в девственное  состояние            225 -»-

Максимальное время сдерживания

потепления климата                                         32 года

Принципиально иная ситуация складывается при переходе СО2 в состав донных отложений океанов и морей со временем пребывания в сотни миллионов лет, что соответствует практически необратимому связыванию. Это связывание происходит на протяжении всего процесса литогенеза – образования осадочных пород, от стадии выветривания горных пород на суше до стадии отложения осадочного материала на дне морей и океанов. Важная роль абсорбции атмосферного СО2 в ходе литогенеза и, особенно, ее необратимость в концепции МГЭИК не учитывается.

При выветривании происходит удаление из атмосферы части СО2, входящей в состав новообразованного органического вещества и карбонатов, которые переносятся в океаны, моря и континентальные водоемы, где становятся компонентами донных отложений (осадочных пород).

Имеется принципиальное различие связывания СО2 при выветривании карбонатных и силикатных минералов.

На суше растворение карбонатных пород происходит при участии атмосферного СО2, который входит в состав растворенных бикарбонатов:

(1)

В водоемах протекает обратная реакция осаждения твердых фаз карбонатов с возвращением ранее поглощенной СО2 воздуха обратно в атмосферу:

(2)

Часть возвратного потока СО2 из океана в атмосферу связана с хорошо известным процессом переотложения карбонатных пород суши, в котором СО2 атмосферы выполняет функцию катализатора:

=    = .        (3)

выветривание               материковый               отложение

карбонатных пород                 сток               карбонатных осадков

Из (3) следует, что переотложение карбонатных пород, сопровождающееся поглощением СО2 на суше и эквивалентным выделением его из океана, не влияет на содержание СО2 в атмосфере.

При выветривании силикатов также происходит необратимое поглощение атмосферного СО2, который вытесняет кремнезем и связывается в форме карбонатов:

(4)

Предварительные расчеты, приведенные в /8/ показывают, что ежегодно при выветривании силикатов связывается 533 млн т С. Эта цифра соответствует минимальной оценке необратимого поглощения углерода в виде СО2 сушей, поскольку аналогичное взаимодействие СО2 с силикатными горными породами, происходящее ниже зоны интенсивной эрозии, до сих пор даже приближенно не оценивалось.

 

Парижское соглашение

На сегодня вопрос о механизме и абсолютной величине поглощения России – это далеко не чисто академическая дискуссия – она выходит на уровень управления практическими действиями при координации усилий международного сообщества, направленных против угрозы глобального потепления.  Например, в Парижском соглашении 2015 года, где компенсационным мерам посвящен отдельный раздел (статья 5), упомянуто только связывание атмосферного СО2 в биомассе леса. Тем самым в соглашении уже «потеряна» почва, что особенно важно для северных лесов, растущих, как правило, на торфяных болотах.

При этом самое главное заблуждение, которое дезориентирует усилия мирового сообщества, по мнению авторов данной работы находится глубже – в том, что внимание обращается лишь на биомассу лесных экосистем, которая считается результатом поглощения углерода. Однако потоки кислорода и СО2, которые поступают из квазибесконечного резервуара — атмосферы, за время жизни леса остаются почти постоянными – небольшая добавка концентрации СО2 не вызывает существенного изменения роста биомассы.   Лес – скорее важный посредник между переменными потоками солнечной энергии и воды, чем накопитель углерода. В лесу формируется подземный и поверхностный сток, который и является проходящим через лес «внешним» потоком. Благодаря использованию энергии Солнца лес продвигается вглубь и тем самым развивает подземный сток, который обогащается запасенным в почве углеродом и переносите его дальше.

Например, в оценках производства кислорода часто говорят, что тропические леса – «легкие планеты», однако при этом умалчивается, что за год тропические леса потребляют практически столько же кислорода, сколько образуют. Расходуется он на дыхание организмов, разлагающих готовое органическое вещество, — в первую очередь бактерий и грибов. Для того, чтобы кислород начал накапливаться в атмосфере, хотя бы часть образованного в ходе фотосинтеза вещества должна быть выведена из круговорота — например, попасть в донные отложения и стать недоступной для бактерий, разлагающих его аэробно, то есть с потреблением кислорода. До сих пор многие важные детали того, как установилось современное равновесие между поступлением кислорода в атмосферу и его изъятием, остаются невыясненными. Ведь заметное увеличение содержания кислорода, так называемое «Великое окисление атмосферы» (Great Oxidation), произошло только 2,4 млрд лет назад, хотя точно известно, что осуществляющие оксигенный фотосинтез цианобактерии были уже достаточно многочисленны и активны 2,7 млрд лет назад, а возникли они еще раньше — 3 млрд лет назад. Таким образом, в течение по крайней мере 300 миллионов лет деятельность цианобактерий не приводила к увеличению содержания кислорода в атмосфере. Почему?  Известно, что образование большого количества азота N2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом, который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Первоначально кислород расходовался на окисление водородной и аммиачной атмосферы – в результате образовались вода и азот. Первичный океан Панталасса возник предположительно 2,5 млрд. лет назад. Однако еще ранее по всей видимости начались стоковые процессы, которые и вели к захоронению углерода под водой, а впоследствии — под дном океана.

Биосфераэкосистема

Главное стремление экосистемы состоит в том, чтобы максимально снизить зависимость от изменений окружающей среды. Причем если отдельные организмы не могут оторваться от питания и поэтому прочно привязаны к трофическим уровням, то экосистема стремится зациклить, замкнуть трофические уровни. Для достижения этой цели продукты метаболизма экосистемы, как правило, не становятся отходами, а поглощаются внутри нее.

Главный вопрос в русле нашего рассмотрения – почему не замкнут цикл углерода, почему экосистемы Земли не могут его полностью усвоить? Как правило, освоение пищевого ресурса для экосистемы не представляет сложностей – происходит закономерный рост той или иной популяции организмов, которые готовы его поглощать. Поэтому, если бы биосфера представляла собой единую органическую экосистему, как полагают сторонники так называемой «гипотезы Геи», у нее не было бы неосвоенных ресурсов – в том числе и ресурсов углерода, поступающего от сжигания ископаемого топлива. Более того – не было бы и самого ископаемого топлива – оно было бы съедено всеобъемлющей экосистемой.

Однако, поскольку это не так, мы имеем дело именно с биосферой, где существующие экосистемы находятся в зависимости от ограничений, наложенных извне, а именно -  установленных балансом потоков во внешней среде, а не их внутренними потребностями и возможностями. Экосистемам приходится вписываться в ниши, заданные неорганическими неравновесными системами, находящимися в устойчивом состоянии, которое определяется величинами потоков подводимых и отводимых веществ. Экосистемы, занимают ниши именно в таких устойчивых состояниях (если не погибают – это ведет к обезлесению и опустыниванию), однако во многом способны корректировать условия внутри ниши, подстраивая ее «под себя».

В отношении сети углеродных потоков, пронизывающих биосферу планеты, можно сделать вывод, что углеродный «зазор» обусловлен торможением извне. Биосистемы океана и суши способны усвоить огромные количества углерода – для суши это потоки на уровне 120 Гтн в год, для океана – на уровне 90 Гтн/год.

Если бы эти потоки находились в равновесии – не было бы «зазора поглощения», то должно было бы выполнятся равновесное уравнение фотосинтеза:

6СО2 + 6Н2О + Qсвета → С6Н12О6 + 6О2  (1)

По этому уравнению объем газов до и после реакции остается постоянным, только СО2 заменяется кислородом. Однако такого действия фотосинтеза, при котором весь СО2 превращается в кислород, мы не отмечаем. Если бы достигалось равновесие по уравнению (1), то концентрация кислорода на планете изменялась бы синхронно с кривой Киллинга, но такого тренда не существует.

В тоже время если мы будем говорить в терминах неравновесности, в том числе о внешних ограничениях реакции фотосинтеза, не дающих ей пройти до конца, то мы должны задастся вопросом об устойчивости достигнутого состояния, контролируемого внешними, не экосистемными факторами. Один из таких внешних факторов – по отношению к транспортной цепи потоков, в которую «вписаны» экосистемы планеты, является выброс углерода от сжигаемого в мировой экономике топлива.

Если мы оценим потоковую нагрузку, вызванную добавкой 9 ГтнС/год, то увидим (см. рисунок выше), что экосистемы, участвующие в потреблении по циклу углерода суши, снабжаются потоком, величина которого составляет 120 Гтн тонн и при этом ежегодно получает в «нагрузку» в 3 Гтн/год или 2,5% от «номинала». Аналогичную нагрузку испытывает поток в океан  — составляя 90 млрд. тонн он по, данным /4/ дополучает 2,5 млрд тонн углерода, т.е. вариация составляет почти такую же величину как для суши — 2,7%!

Такое распределение нагрузки с одной стороны не должно еще вызвать нестабильность в пропускании сетевой структуры – порогом нестабильности считается добавление более 5% от номинала в сеть (для электрических сетей с порогом 5% столкнулись проектировщики ветро- и солнечных систем «добавленной» энергетики). Однако в целом 9ГтнС/год  от суммарного потока планеты в 210 ГтнС/год, уже составляет величину близкую к 5% (4,3%), что говорит от том, что возможна нестабильность работы этих транспортных сетей.

И мы эту нестабильность уже ощущаем – в виде погодных аномалий, которых становится все больше и больше год от года. Однако это не изменения климата, а именно аномалии погоды, так как масштаб времени для «отработки» экосистемами внешних факторов – таких, например, таких, как изменения теплового потока от сезона к сезону, как правило очень мал – несколько дней, неделя — и листья расцвели весной, а осенью наоборот – опали. Это еще одно подтверждение более высокой скорости установления равновесия внутри экосистем (мгновенное равновесие по климатическим меркам) – экосистем готовы «отработать» — и по мере сил смягчить, действие внешних нестабильностей.

В той же роли экосистемы участвуют и в климатических циклах – важно, что это всегда вынужденное колебание, «отработка» изменений внешних потоков-связей. В качестве примера долговременной нестабильности «энергетического питания» следует отметить исторически наблюдающиеся циклы Миланковича, которые связаны к колебанием теплового потока от Солнца на поверхность Земли, причем диапазон вариации энергетического потока в цикле как раз составляет 5-10% — достаточно, чтобы вызвать неустойчивость тепловых потоков.  Последний – атлантический климатический оптимум – 6-8 тыс. лет назад, привел к таянию льдов на Северном полюсе и «утоплению» Гольфстрима под пресной водой. Иногда эти события связывают со всемирным потопом.  При этом все экосистемы успешно перестроились, чтобы сначала справиться с падением потока энергии и наплывом воды, а затем – отработали все назад.

Тоже самое можно сказать о концентрации углекислого газа в атмосфере – были геологические эпохи, когда она была более чем в три раза выше, чем сегодня. Экосистемы прекрасно существовали и в те эпохи, хотя для того, чтобы перестроится к нынешнему состоянию, одни виды были заменены другими.

Сценарий непредсказуемых изменений в последние годы связывают и с внедрением вируса, который может погубить либо человечество, либо ослабевшую экосистему. На примере вируса, опасного для сине-зелёных водорослей вопрос исследован в работе /7/. По мнению исследователей, в любой момент вирусную инфекцию может подхватить от 1 до 60% популяции фитопланктона, состоящей из сине-зеленых водорослей. Если это случится, то по их оценкам ежегодно до 5,4 Гтн углекислого газа останется в атмосфере, избежав переработки в кислород, хотя, по всей видимости,  здесь какая-то систематическая ошибка значения поглощения океана – примерно в 2 раза. Однако так или иначе, но гибель популяции сине-зеленых будет означать парниковую катастрофу. При этом отклонение возможно и в другую сторону -  в результате потепления возможно, что океаны «зацветут» — т.е. не исключено, что цианобактерии (Synechococcus и Prochlorococcus) сильно размножатся. Однако так как питаются они почти исключительно углекислым газом (СО2), то могут «съесть» гораздо больше парниковых газов, чем им положено, если не включится внешнее ограничение потоков. Без ограничения такие процессы приведут к мощному охлаждению планеты. Однако риск вирусной эпидемии вновь возрастает до максимума – поэтому такие циклы потепления-похолодания могут продолжаться до бесконечности! Однако если всего этого в реальности не происходит, то именно потому, что существуют абиотические ограничения.

Заключение

Понимание лимитирующих процессов захоронения углерода и разработка способов целенаправленного воздействия на содержание СО2 в атмосфере имеет фундаментальной значение для развития современной науки, поскольку речь идет о том, что должны возникнуть технологии, позволяющие обратимое управление состоянием окружающей среды в глобальном масштабе. Обратимое – для того, чтобы если неустойчивость потоков повернет процессы, идущие сегодня в одну сторону, в прямо противоположном направлении – например если потепление смениться похолоданием, воздействие можно было бы адекватно скорректировать.

Другая возможность – создавать искусственные экосистемы, которые достаточно эластичны, чтобы выдержать смену направления потоков и выполнять роль входов или фиксаторов для компонентов, которыми мы хотим управлять. Управляемые леса могут рассматриваться как такая экосистема, которая позволяет управлять локальным климатом и водопотоками. Вообще лес дает пример естественной экосистемы с которой человек взаимодействует на протяжении всей своей истории, но возможности совместного развития леса и человеческого общества – коэволюции, до сих пор очень плохо проработаны.

Механизм поглощения углерода водными потоками, протекающими через лес и особенно — его почвенную составляющую, показывает, насколько мы мало представляем роль и назначение частей климатического механизма, работающего у нас на глазах.

Про другие естественные экосистемы можно сказать тоже самое – озера и реки, степи и саванны работают по своим технологиям, которые нами пока не изучены и потому не могут использоваться для экологического управления. Нам доступно пока только утилитарное экономическое управление, которое позволяет выкопать котлован для водохранилища и заполнив его водой, ждать результатов – энергии или защиты от наводнений. Однако зная механизмы работы экосистем, можно было бы «настраивать» водохранилища и для поглощения углерода и для других важных применений.

Наши технологии должны понимать взаимосвязи планетарных потоков и  использовать возможности регуляции, которые используются в живой природе. Только так можно уйти от перманентного глобального экологического кризиса, в который нас ввергает незнание механизмов работы мира, в котором мы живем. Умение ими управлять необходимо, чтобы  добиться сохранения параметров состояния биосферы в оптимальном диапазоне значений при усилении хозяйственной деятельности.

Литература:

1.         C. Beer, M. Reichstein, Y. Chen, M. Zhao, Q. Mu, S. Running, Large-scale evapotranspiration derived from MODIS GPP compared to MODIS evapotranspiration and observations. Invited to the American Geophysical Union Fall Meeting, San Francisco, 10-14 December 2007.

2.         Science 2007 года, «Weak northern and strong tropical land carbon uptake from vertical profiles of atmospheric CO2» авторы Authors: Britton B. Stephens, Kevin R. Gurney и др. (всего около 15 авторов)

3.         Dec. 19, 2014, Global Atmospheric Carbon Dioxide, Devid Shimmel, NASA

4.         The global carbon budget 1959–2011, Earth Syst. Sci. Data Discuss., 5, 1107–1157, 2012 / www.earth-syst-sci-data-discuss.net/5/1107/2012/.

5.         Заварзин Г. В. «Пулы и потоки углерода»

6.         Стрелецкая И. Д. «Метан в подземных льдах и мерзлых отложениях — причина опасных геологических процессов в Арктике» https://istina.msu.ru/publications/article/38760669/)

7.         Puxty et al., 2016, Current Biology 26, 1585–1589, June 20, 2016. Published by Elsevier Ltd.  http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.04.036).

8.   Савенко В. С. Трансформация силикатов в процессе литогенеза как фактор, контролирующий содержание СО2 в атмосфере // Вестник Моск. университета. Сер. 5. География. 2005. №   5. С. 5–11.

Опубликовано в трудах конференции, посвященной 100-летию Н.Н.Моисеева

РоссияДонорствоуглерод 

13.09.2018, 860 просмотров.


Нравится

SKOLKOVO
16.02.2018 11:01:00

Блокчейн для дистрибуции кино / TVZavr на Берлинале

Резидент «Сколково» представил на Берлинале новую технологическую платформу для киноиндустрии

технологии, киноиндустрия, платформа, Сколково

14.02.2018 08:19:00

Год Японии в России /Инновационное сотрудничество/Семинар в Сколково

В технопарке «Сколково» прошел семинар «Россия – Япония: коммерциализация технологических инноваций – перспективы сотрудничества», организованный Фондом «Сколково» и ROTOBO, Японской ассоциацией по торговле с Россией и новыми независимыми государствами. Представители «Сколково» и РВК обсудили с сотрудниками японских стартапов, инкубаторов и институтов развития особенности подхода к инновационному бизнесу и перспективы выхода российских стартапов на рынок Страны восходящего солнца.

Инновации, технологии, перспективы, сотрудничество, страны, Россия, семинар, Сколково

15.11.2017 00:06:37

Suvorov Prize - инновационная премия вручена в 7-ой раз / Швейцарско-российская премия имени Суворова

Конкурс изобретений «Эврика» теперь будет получать проекты российско-швейцарского сотрудничества.  В финал вышли пять проектов из России и Швейцарии из различных областей — это биотехнологии,медицинские технологии, и информационные технологии.

Suvorov Prize

02.11.2017 16:41:25

Разработка российских ученых по очистке воды от нефти запатентована в США

Екатеринбургская компания «НПО БиоМикроГели» (резидент «Сколково» и технопарка «Университетский») подтвердила авторство своих изобретений в Соединенных Штатах Америки. В этой стране завершена национальна фаза патентования нескольких технологий уральских ученых с применением биомикрогелей.

разработка

07.10.2017 00:14:10

Собирать или не собрать (данные)? Быть или не быть официальному интернет "просвечиванию".

Московский арбитражный суд не стал запрещать использование открытых персональных данных пользователей социальной сети «ВКонтакте» для оценки их кредитоспособности.

ВКонтакте

06.10.2017 12:36:20

УМНИК создал материал, способный резко повысить скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов

Химики из Московского университета им. М.В. Ломоносова разработали способ синтеза катодного материала, который способен обеспечить безопасную работу в режиме быстрого заряда (30-60 секунд заряд аккумулятора до 75%) и разряда с выдачей высокой мощности и плотности тока. Это может быть востребовано во множестве направлений инновационной промышленности, включая робототехнику, БПЛА и даже электромобили. В 2015 году проект был признан лучшим в конкурсе по программе «УМНИК» Фонда содействия инновациям и его  автор получил на развитие грант в размере 400 тыс. рублей.

УМНИК

19.11.2016 00:16:00

Создан образец модульной системы хранения электроэнергии / "Watts" from Skolkovo

Компания Watts Battery (ООО «Уаттс Бэтэри», резидент кластера энергоэффективных технологий Фонда «Сколково») создала первый, готовый к продажам промышленный образец модульной системы для накопления электрической энергии WATTS. Он будет представлен на международном форуме для стартапов и инвесторов SLUSH, который пройдет в Хельсинки с 30 ноября по 1 декабря 2016 года. Обсуждаем «тактико-технические» характеристики модуля:

накопитель, WATT

RSS
Архив "SKOLKOVO UNIT"
Подписка на RSS
Реклама: