Углекислый газ поступает в атмосферу в результате. Углекислый газ. Роль в парниковом эффекте
Образование большого количества N2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным О2, который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также N2 выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и др. азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.
Азот N2 вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зеленые водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, т. н. сидератами.
Кислород
Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений - аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и др. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьезные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.
В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень.
Углекислый газ
Одной из важнейших частей воздуха является углекислый газ. У земной поверхности углекислый газ содержится в переменных количествах, в среднем 0,03% по объему.
В атмосферу углекислый газ поступает в результате вулканической деятельности, разложения и гниения органических веществ, дыхания животных и растений, сжигания топлива. Основным регулятором содержания углекислого газа в атмосфере является мировой океан. Он поглощает и отдает в атмосферу около 20% от среднего содержания в атмосфере.
Несмотря на относительно небольшое его содержание в атмосфере, углекислый газ оказывает большое влияние на так называемый «парниковый эффект». Пропуская к земной поверхности коротковолновую солнечную радиацию, поглощая длинноволновое (тепловое) излучение, поступающее от земной поверхности, он способствует повышению температуры воздуха в нижележащих слоях атмосферы.
В эпоху индустриализации отмечается повышенное содержание углекислого газа антропогенного происхождения.
Под влиянием деятельности человека увеличивается содержание в атмосфере газов техногенного происхождения, например сернистого, окиси углерода, различных окислов азота.
Исключительно важную роль имеет озон, поглощающий неблагоприятную для живых организмов и растений часть ультрафиолетового излучения Солнца. У земной поверхности озон содержится в небольших количествах: образуется в результате грозовых разрядов. Наибольшее его количество в стратосфере (озоносфере) от 10 до 50 км с максимумом в слое на высотах 20-25 км. В этом слое под действием ультрафиолетового излучения Солнца двухатомные молекулы кислорода частично распадаются на атомы, последние, присоединяясь к не распавшимся двухатомным молекулам кислорода, образуют трехатомный озон. Одновременно с образованием озона идет обратный процесс.
Концентрация озона зависит от интенсивности образования и разрушения молекул озона. Содержание озона увеличивается от экватора к высоким широтам.
Важная составная часть воздуха - водяной пар, который поступает в атмосферу в результате испарения с водной поверхности, суши, при вулканических извержениях. В нижних слоях атмосферы содержится от 0,1 до 4% водяного пара. С высотой его содержание резко убывает.
Водяной пар активно участвует во многих термодинамических процессах, связанных с образованием облаков, туманов.
В атмосфере присутствуют аэрозоли - это твердые и жидкие частицы, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии. Некоторые из них, являясь ядрами конденсации, участвуют в процессе образования облаков, туманов.
К естественным аэрозолям относятся водяные капли и кристаллы льда, образующиеся при конденсации водяного пара; пыль, сажа, возникающие при лесных пожарах, почвенная, космическая, вулканическая пыль, соли морской воды. Также в атмосферу попадает большое количество аэрозолей искусственного происхождения - выбросы промышленных предприятий, автотранспорта и др.
Наибольшее количество аэрозолей содержится в нижних слоях атмосферы.
4. Строение атмосферы.
Масса атмосферы составляет 5.3* 105 т. В слое до 5,5 км
содержится 50%, до 25 км - 95% и до 30 км - 99% всей массы атмосферы. Тридцатикилометровый слой атмосферы составляет 1/200 или 0,05 радиуса Земли. На глобусе диаметром 40 см этот 30-километровый слой имеет толщину около 1 мм, т.е. атмосфера представляет тонкую пленку, покрывающую поверхность Земли.
Нижней границей атмосферы является земная поверхность, называемая в метеорологии подстилающей поверхностью. Четко выраженной верхней границы атмосфера не имеет. Она плавно переходит в межпланетное пространство.
За верхнюю границу атмосферы условно принимают высоту 1500-2000 км, выше которой находится земная корона .
Давление и плотность с высотой убывают: при давлении у земли 1013 гПа плотность равна 1,27*103 г/м3 , а на высоте 750 км плотность составляет 10-10 г/м3 .
Распределение физических свойств в атмосфере имеет слоистый характер, поскольку их изменение по высоте происходит во много раз интенсивнее, нежели в горизонтальном направлении. Так, вертикальные температурные градиенты в несколько сотен раз больше горизонтальных градиентов.
Расчленение атмосферы на слои делают по различным свойствам воздуха: по температуре, влажности, содержанию озона, по электропроводимости и т.п. Наиболее отчетливо различие слоев атмосферы проявляется в характере распределения температуры воздуха с высотой. По этому признаку выделяют пять основных слоев.
Очень велика. Углекислый газ принимает участие в образовании всего живого вещества планеты и вместе с молекулами воды и метана создает так называемый «оранжерейный (парниковый) эффект».
Значение углекислого газа (CO 2 , двуокись или диоксид углерода ) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании процесса фотосинтеза, который осуществляется растениями .
Являясь парниковым газом , двуокись углерода в воздухе оказывает влияние на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучамое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании .
В последнее время наблюдается увеличение концентрации углекислого газа в воздухе, что ведет к .
Углерод (С) в атмосфере содержится в основном в виде углекислого газа (СО 2) и в небольшом количестве в виде метана (СН 4), угарного газа и других углеводородов.
Для газов атмосферы применяют понятие «время жизни газа». Это время, за которое газ полностью обновляется, т.е. время, за которое в атмосферу поступает столько же газа, сколько в нем содержится. Так вот, для углекислого газа это время составляет 3-5 лет, для метана - 10-14 лет. СО окисляется до СО 2 в течение нескольких месяцев.
В биосфере значение углерода очень велико, так как он входит в состав всех живых организмов. В пределах живых существ углерод содержится в восстановленном виде, а вне пределов биосферы - в окисленном. Таким образом, формируется химический обмен жизненного цикла: СО 2 ↔ живое вещество.
Источники углерода в атмосфере.
Источником первичной углекислоты являются , при извержении которых в атмосферу выделяется огромное количество газов. Часть этой углекислоты возникает при термическом разложении древних известняков в различных зонах метаморфизма.
Также углерод поступает в атмосферу в виде метана в результате анаэробного разложения органических остатков. Метан под воздействием кислорода быстро окисляется до углекислого газа. Основными поставщиками метана в атмосферу являются тропические леса и .
В свою очередь углекислый газ атмосферы является источником углерода для других геосфер - , биосферы и .
Миграция СО 2 в биосфере.
Миграция СО 2 протекает двумя способами:
При первом способе СО 2 поглощается из атмосферы в процессе фотосинтеза и участвует в образовании органических веществ с последующем захоронением в в виде полезных ископаемых: торфа, нефти, горючих сланцев.
При втором способе углерод участвует в создании карбонатов в гидросфере. СО 2 переходит в Н 2 СО 3 , НСО 3 -1 , СО 3 -2 . Затем с участием кальция (реже магния и железа) происходит осаждение карбонатов биогенным и абиогенным путем. Возникают мощные толщи известняков и доломитов. По оценке А.Б. Ронова, соотношение органического углерода (С орг) к углероду карбонатному (С карб) в истории биосферы составляло 1:4.
Каким образом осуществляется геохимический круговорот углерода в природе и как углекислый газ возвращается снова в атмосферу
Исследователи из Института океанографии Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего сообщили USA Today, что содержание углекислого газа в атмосфере Земли достигло самой высокой отметки за последние 800 тысяч лет. Теперь оно составляет 410 ppm (частей на миллион). Это значит, что в каждом кубометре воздуха углекислота занимает объем в 410 мл.
Углекислый газ в атмосфере
Диоксид углерода, или углекислый газ выполняет в атмосфере нашей планеты важную функцию: он пропускает часть излучения от Солнца, которое обогревает Землю. Однако, из-за того, что газ также поглощает тепло, испускаемое планетой, он способствует появлению парникового эффекта. Именно это считается главным фактором глобального потепления.
Постоянный рост содержания углекислоты в атмосфере начался с момента индустриальной революции. До того, концентрация никогда не превышала 300 ppm. В апреле текущего года была установлена самая высокая средняя отметка за последние 800 тысяч лет. В первый раз цифра 410 ppm была зафиксирована на станции мониторинга качества воздуха на Гавайях в апреле 2017 года, но тогда это был скорее из ряда вон выходящий случай. В апреле же 2018 года эта отметка стала средней за весь месяц. Концентрация диоксида углерода повысилась на 30% с момента начала наблюдений исследователями из Института Скриппса.
Почему концентрация повышается
Ученый Ральф Килинг из Института Скриппса, руководитель программы исследований СО2 считает, что концентрация углекислого газа продолжает расти в атмосфере из-за того, что мы постоянно сжигаем топливо. При переработке нефти, газа и угля в атмосферу выделяются такие парниковые газы, как диоксид углерода и метан. Газы вызвали повышение температуры Земли за последнее столетие до уровня, который не может быть объяснен естественной изменчивостью. Это давно известный факт, однако никто не принимает мер для того, чтобы как-то исправить ситуацию.
В свою очередь, Всемирная метеорологическая организация заявила, что увеличение количества парниковых газов способствует изменению климата и делает «планету более опасной и негостеприимной для будущих поколений». Вопрос нужно решать на глобальном уровне, и делать это как можно скорее.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Деятельность человека достигла уже таких масштабов, что общее содержание углекислого газа в атмосфере Земли достигло предельно допустимых значений. Природные системы - суша, атмосфера, океан, находятся под разрушительным воздействием.
Важные факты
Например, к ним относятся фторхлоруглеводороды. Эти примеси газов излучают и поглощают солнечную радиацию, что отражается на климате планеты. В совокупности СО 2 , иные газообразные соединения, оказывающиеся в атмосфере, называют парниковыми газами.
Историческая справка
Он предупреждал о том, что увеличение объемов сжигаемого топлива может привести к нарушению радиационного баланса Земли.
Современные реалии
Сегодня большее количество диоксида углерода в атмосферу поступает при сжигании топлива, а также в связи с теми изменениями, что происходят в природе из-за вырубки лесных угодий, увеличения площадей сельскохозяйственных угодий.
Механизм воздействия диоксида углерода на живую природу
Повышение содержания углекислого газа в атмосфере вызывает парниковый эффект. Если при коротковолновой солнечной радиации оксид углерода (IV) прозрачен, то длинноволновую радиацию он поглощает, излучая энергию по всем направлениям. В результате содержание углекислого газа в атмосфере существенно увеличивается, нагревается поверхность Земли, горячими становятся нижние слои атмосферы. При последующем увеличении количества диоксида углерода возможно глобальное изменение климата.
Именно поэтому важно прогнозировать общее содержание углекислого газа в атмосфере Земли.
Источники попадания в атмосферу
Среди них можно выделить промышленные выбросы. Содержание углекислого газа в атмосфере возрастанием в связи с антропогенными выбросами. Экономический рост напрямую зависит от количества сжигаемых природных ископаемых, так как многие производства являются энергозатратными предприятиями.
Результаты статистических исследований свидетельствуют о том, что с конца прошлого века во многих странах происходит снижение удельных затрат энергии при существенном росте цен на электроэнергию.
Эффективное ее использование достигается благодаря модернизации технологического процесса, транспортных средств, использованию новых технологий в строительстве производственных цехов. Некоторые развитые промышленные страны перешли от развития перерабатывающей и сырьевой отрасли к развитию тех направлений, которые занимаются изготовлением конечного продукта.
В крупных мегаполисах, обладающих серьезной производственной базой, выбросы диоксида углерода в атмосферу существенно выше, поскольку СО 2 часто является побочным продуктом отраслей, деятельность которых удовлетворяет запросы образования, медицины.
В развивающихся странах существенный рост использования высококачественного топлива на 1 жителя, считается серьезным фактором для перехода на более высокий уровень жизни. В настоящее время выдвигается идея, согласно которой продолжение экономического роста и повышение уровня жизни возможно без увеличения количества сжигаемого топлива.
В зависимости от региона содержание углекислого газа в атмосфере составляет от 10 до 35 %.
Связь между потребляемой энергией и выбросами СО2
Начнем с того, что энергия не производится только ради ее получения. В развитых промышленных странах большая ее часть используется в промышленности, для обогрева и охлаждения зданий, для транспорта. Исследования, проводимые крупными научными центрами, показали, что при использовании энергосберегающих технологий можно получить существенное снижение выбросов диоксида углерода в земную атмосферу.
Например, ученым удалось посчитать, что если бы США перешли на менее энергоемкие технологии при производстве товаров народного потребления, это бы позволило снизить количество углекислого газа, попадающего в атмосферу, на 25 %. В масштабах земного шара это позволило бы снизить проблему парникового эффекта на 7 %.
Углерод в природе
Анализируя проблему, касающуюся выбросов диоксида углерода в атмосферу Земли, отметим, что углерод, который входит в его состав, является жизненно важным для существования биологических организмов. Его способность образовывать сложные углеродные цепочки (ковалентные связи) приводит к появлению белковых молекул, необходимых для жизни. Биогенный цикл углерода является сложным процессом, поскольку в него входит не просто функционированием живых существ, но и перенос неорганических соединений между разными резервуарами углерода, а также внутри них.
К ним относится атмосфера, континентальная масса, в том числе почвы, а также гидросфера, литосфера. На протяжении двух последних столетий в системе биофера-атмосфера-гидросфера наблюдаются изменения потоков углерода, который по своей интенсивности существенно превышают скорость протекания геологических процессов переноса данного элемента. Именно поэтому нужно ограничиваться рассмотрением взаимоотношений внутри системы, включая и почву.
Серьезные исследования, касающиеся определения количественного содержания углекислого газа в земной атмосфере, стали проводиться с середины прошлого века. Первопроходцем в таких вычислениях стал Киллинг, работающий в известной обсерватории Мауна-Лоа.
Анализ наблюдений показал, что на изменения концентрации диоксида углерода в атмосфере влияет цикл фотосинтеза, деструкция растений на суше, а также годовое изменение температуры в Мировом океане. В ходе экспериментов удалось выяснить, что количественное содержание углекислого газ в северном полушарии существенно выше. Ученые предположили, что это связно с тем, что большая часть антропогенного поступления приходится именно на это земное полушарие.
Для проведения анализа были взяты без специальных методик, кроме того не учитывалась относительная и абсолютная погрешность вычислений. Благодаря анализу пузырьков воздуха, которые содержались в ледниковых кернах, исследователям удалось установить данные по содержанию в земной атмосфере углекислого газа в диапазоне 1750-1960 гг.
Заключение
На протяжении последних столетий произошли существенные изменения в континентальных экосистемах, причиной стало увеличение антропогенного воздействия. При повышении количественного содержания углекислого газа в атмосфере нашей планеты, возрастает парниковый эффект, что негативно отражается на существовании живых организмов. Именно поэтому важно переходить на энергосберегающие технологии, которые позволяют снижать поступление СО 2 в атмосферу.
Состав и строение атмосферы.
Атмосфера – газовая оболочка Земли. Вертикальная протяженность атмосферы более трех земных радиусов (средний радиус равен 6371 км) а масса - 5,157х10 15 т, что составляет примерно миллионную от массы Земли.
В основу деления атмосферы на слои в вертикальном направлении положено следующее:
Состав атмосферного воздуха,
Распределение температуры по высоте;
Взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью.
Атмосфера нашей планеты представляет собой механическую смесь различных газов, в том числе водяного пара, а также некоторого количества аэрозолей. Состав сухого воздуха в нижнем 100 км остается практически постоянным. Чистый и сухой воздух, в котором нет водяного пара, пыли и других примесей, представляет собой смесь газов, главным образом азота (78 % объема воздуха) и кислорода (21 %). Немного менее одного процента составляет аргон и в очень малых количествах находится множество других газов - ксенон, криптон, углекислый газ, водород, гелий и др. (табл. 1.1).
Азот, кислород и другие составляющие атмосферного воздуха находятся в атмосфере всегда в газообразном состоянии, так как критические температуры, то есть температуры, при которых они могут находиться в жидком состоянии, много ниже температур, наблюдаемых у поверхности Земли. Исключение составляет углекислый газ. Однако для перехода в жидкое состояние кроме температуры необходимо еще достижение состояния насыщения. В атмосфере углекислого газа немного (0,03 %) и он находится в виде отдельных молекул, равномерно распределенных среди молекул других атмосферных газов. За последние 60-70 лет его содержание увеличилось на 10-12%, под влиянием деятельности человека.
Больше других подвержено изменению содержание водяного пара, концентрация которого у поверхности Земли при высокой температуре может достигать 4%. С увеличением высоты и понижением температуры содержание водяного пара резко убывает (на высоте 1,5-2,0 км – наполовину и в 10-15 раз от экватора к полюсу).
Масса твердых примесей за последние 70 лет в атмосфере северного полушария возросла примерно в 1,5 раза.
Постоянство газового состава воздуха обеспечивается интенсивным перемешиванием нижнего слоя воздуха.
Газовый состав нижних слоев сухого воздуха (без водяного пара)
Роль и значение основных газов атмосферного воздуха
КИСЛОРОД (О) жизненно необходим почти для всех обитателей планеты. Это активный газ. Он участвует в химических реакциях с другими газами атмосферы. Кислород активно поглощает лучистую энергию, особенно очень короткие волны длиной менее 2.4 мкм. Под действием солнечного ультрафиолетового излучения (X < 03 мкм), молекула кислорода распадается на атомы. Атомарный кислород, соединяясь с молекулой кислорода, образует новое вещество - трехатомный кислород или озон (Оз). Озон в основном находится на больших высотах. Там его роль для планеты исключительно благотворна. У поверхности Земли озон образуется при грозовых разрядах.
В отличие от всех других газов в атмосфере, которые не имеют ни вкуса, ни запаха, озон имеет характерный запах. В переводе с греческого языка слово «озон» означает «остро пахнущий». После грозы этот запах приятен, он воспринимается как запах свежести. В больших количествах озон является отравляющим веществом. В городах с большим количеством автомобилей, а значит и большими выбросами автомобильных газов, в безоблачную или малооблачную погоду под действием солнечных лучей образуется озон. Город окутывается желто-синим облаком, видимость ухудшается. Это фотохимический смог.
АЗОТ (N2) - нейтральный газ, он, не вступает в реакции с другими газами атмосферы, не участвует в поглощении лучистой энергии.
До высот 500 км атмосфера в основном состоит из кислорода и азота. При этом, если в нижнем слое атмосферы преобладает азот, то на больших высотах кислорода больше, чем азота.
АРГОН (Аг) - нейтральный газ, в реакции не вступает, в поглощении и излучении лучистой энергии не участвует. Аналогично - ксенон, криптон и многие другие газы. Аргон - тяжелое вещество, в высоких слоях атмосферы его очень мало.
УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА (С02) в атмосфере в среднем 0,03 %. Этот газ очень необходим растениям и активно ими поглощается. Фактическое количество его в воздухе может несколько изменяться. В индустриальных районах его количество может увеличиваться до 0.05 %. В сельской местности, над лесами, полями его меньше. Над Антарктидой примерно 0,02 % углекислого газа, т. е. почти на Уз меньше среднего его количества в атмосфере. Столько же и даже меньше его над морем - 0.01 - 0.02 %, так как углекислый газ интенсивно поглощается водой.
В слое воздуха, который непосредственно примыкает к земной поверхности, количество углекислого газа испытывает и суточные колебания.
Ночью его больше, днем меньше. Объясняется это тем, что в светлое время суток углекислый газ поглощается растениями, а ночью нет. Растения планеты на протяжении года берут из атмосферы около 550 млрд. т. и возвращают в нее около 400 млрд. т. кислорода.
Углекислый газ полностью прозрачен для солнечных коротковолновых лучей, но интенсивно поглощает тепловое инфракрасное излучение Земли. С этим связана проблема парникового эффекта, по поводу которого периодически разгораются дискуссии на страницах научной печати, а, главным образом, в массмедиа.
ГЕЛИЙ (Не) - очень легкий газ. Он поступает в атмосферу из земной коры в результате радиоактивного распада тория и урана. Гелий улетучивается в космическое пространство. Скорость убывания гелия соответствует скорости поступления его из недр Земли. От высоты 600 км до 16000 км наша атмосфера состоит главным образом из гелия. Это «гелиевая корона Земли» по выражению Вернадского. Гелий не вступает в реакции с другими газами атмосферы, не участвует в лучистом теплообмене.
ВОДОРОД (Нг) еще более легкий газ. У поверхности Земли его очень мало. Он поднимается в верхние слои атмосферы. В термосфере и экзосфере атомарный водород становится доминирующим компонентом. Водород - это самая верхняя, самая дальняя оболочка нашей планеты. Выше 16000 км до верхней границы атмосферы, то есть до высот 30 - 40 тыс. км, преобладает водород. Таким образом, химический состав нашей атмосферы с высотой приближается к химическому составу Вселенной, в которой водород и гелий - наиболее распространенные элементы. В самой внешней, крайне разряженной части верхней атмосферы, происходит убегание из атмосферы водорода и гелия. Отдельные их атомы имеют для этого достаточно большие скорости.
