Материал: Решение проблемы депонирования углерода на государственном и межгосударственном уровнях

Судя по анализу пузырьков воздуха, запечатанных во льдах Антарктиды, содержание метана за последние 400 тысяч лет демонстрировало колебания, практически совпадающие с колебаниями содержания углекислого газа (СО₂) и изменениями температуры, хотя механизмы образования этих газов, так же как механизмы изъятия их из атмосферы, совершенно разные. Рост концентрации метана в атмосфере вызывает немалое беспокойство. За последние два столетия она возросла в два раза, в то время как углекислого газа - только на четверть. В 1970-80-е годы рост метана был особенно заметен, но в последнее десятилетие ХХ века он, по не очень понятным причинам, резко замедлился. Основная причина межгодовых различий в поступлении метана - это изменение состояния болот. Похолодание ведет к ослаблению эмиссии метана, но и сильная жара также не способствует его накоплению, так как многие болота просто высыхают.

.2 Изменение содержания углерода в атмосфере в разные геологические периоды

В атмосфере в настоящее время содержится около 7,5х10² Гт углерода. Небольшим содержание СО₂ в атмосфере было далеко не всегда - так в архее (около 3,5 млрд. лет назад) атмосфера состояла почти на 85-90% из углекислого газа, при существенно большем давлении и температуре.

Благодаря выделению радиогенного тепла, которое было в архее мощнее нынешнего (а также тепла из других источников), и низкой теплопроводности пород, что позволяло накапливаться тепловой энергии, постепенно разогревались недра, и около 4 млрд. лет назад началось частичное плавление пород в них. Начала происходить сильная дегазация пород и формирование мощной атмосферы, состоящей из азота, углекислого газа, паров воды, метана, водорода, аммиака и других газов. Эта атмосфера обладала уже очень мощным парниковым эффектом, однако, к счастью, получилось так, что он был все же недостаточным, чтобы оказаться необратимым.

Однако поступление значительных масс воды на поверхность Земли в результате дегазации недр, а также возникновение жизни обеспечило связывание почти всего атмосферного и значительной части растворенного в воде углекислого газа в виде карбонатов (в литосфере хранится около 5,5х10⁷ Гт углерода). Также углекислый газ стал преобразовываться живыми организмами в различные формы горючих полезных ископаемых.

Более прохладный климат протерозоя по сравнению с архейским, вероятно, обуславливался значительно меньшим содержанием углекислого газа в атмосфере на протяжении этого времени. В протерозое еще практически отсутствовала кислородная атмосфера и не работали процессы окисления углерода, возвращающие обратно в атмосферу углекислый газ, поглощенный биотой. Его содержание в атмосфере определялось балансом как поступления в атмосферу благодаря вулканической деятельности, так и вывода из атмосферы процессами продолжающейся гидратации силикатов (хотя и вновь сильно замедлившимися к середине протерозоя, после формирования серпентинитового слоя), и процессами захоронения органики в бескислородных условиях.

В конце протерозоя, в период приблизительно 900-600 млн. лет назад, на Земле прошла череда сильнейших оледенений, подобных оледенениям начала протерозоя, по мощности которым в дальнейшем уже не было равных. Ледяной покров достигал в это время даже экватора. Эту серию оледенений связывают с тем, что приблизительно в то же время наблюдалось наиболее интенсивное в истории Земли захоронение неокисленной органики, что очевидно, значительно уменьшало содержание углекислого газа в атмосфере и парниковый эффект в ней.

Когда, в результате интенсивного извлечения углекислого газа из атмосферы, происходило падение парникового эффекта, и наступало мощное оледенение. Ледяной покров и низкие температуры сильно угнетали фотосинтез, приводили к отмиранию значительной части биомассы, извлечение углекислоты из атмосферы сильно замедлялось.

Вследствие действия перечисленных факторов происходило накопление углекислого газа в атмосфере благодаря вулканической деятельности (скорость вывода его биотой в такие периоды была мала), а также возвращение его в атмосферу от окислившейся органики. В свою очередь, происходившее потепление снижало растворимость углекислого газа в воде и приводило к его переходу в атмосферу, что еще более увеличивало парниковый эффект. Вероятно, содержание углекислого газа в атмосфере в теплые периоды верхнего протерозоя могло превышать современное в триста раз.

Итак, оледенение отступало. До тех пор, пока расплодившаяся биота опять не выводила почти все запасы углекислого газа из атмосферы, и цикл начинался опять.

Вероятно, в результате этого и возникали в палеозойскую эру несколько оледенений. Это оледенение пермо-карбоновое (350-230 млн. лет назад), начавшегося в каменноугольном периоде, а также оледенения на границе верхнего ордовика - нижнего силура (460-420 млн. лет назад), и оледенение верхнего девона (370-355 млн. лет назад).

Такие оледенения, продолжавшиеся несколько миллионов (а то и десятков миллионов) лет, чередовались с теплыми периодами, и продолжались эти колебания до тех пор, пока не сформировались биологические механизмы, усилившие и сделавшие более стабильным приток кислорода в глубинные слои, что обеспечило возвращение почти всего извлекаемого из атмосферы углекислого газа обратно.

Одной из причин, по которой в большей части мезозоя сохранялось высокое содержание углекислого газа в атмосфере, вероятно, было совершенствование круговорота углерода, обеспечившее более эффективный возврат его в атмосферу. Кстати, за время накопления всех каустобиолитов (уголь, нефть и пр.) в фанерозое, примерно 40% созданных запасов приходится на палеозой, 50% на кайнозой, и только 10% на мезозой.

Содержание углекислого газа в атмосфере в начале кайнозоя (палеоцен-эоцен) было приблизительно в пять раз выше современного. Средние температуры тогда были выше современных приблизительно на 8 °С. Даже в Северном море в палеоцене температура поверхностных вод составляла около 17-18 °С, увеличившись в эоцене до 22-23 °С.

Стоит отметить продолжавшееся снижение парникового эффекта - так содержание углекислого газа в атмосфере уже в раннем миоцене (около 20 млн. лет назад) понизилось по сравнению с палеоценом и эоценом приблизительно вдвое (до 0,09% с 0,16%), и составляло одну треть от своего содержания в атмосфере во время мелового периода (около 0,27%).

Итак, содержание углекислого газа, накопленного в результате мощной дегазации пород в атмосфере во времена архея (когда он являлся основным газом земной атмосферы, приблизительно на порядок более плотной нежели сейчас), в ходе всей последующей эволюции планеты постепенно снижалось, что уменьшало парниковый эффект, который во времена архея поднимал температуру поверхности Земли приблизительно на пару сотен градусов выше температуры лучистого равновесия для того времени. Правда, на эту долговременную, в миллиарды лет, тенденцию накладывались довольно значимые колебания - стоит вспомнить и великие оледенения начала и конца протерозоя, и теплую обстановку мезозойской эры.

Конечно, мощный парниковый эффект архейской атмосферы определялся отнюдь не одним углекислым газом, огромную роль играли и большие запасы накопленных в атмосфере паров воды. Но при этом, так как, по всей видимости, в архее условия на поверхности планеты все же позволяли существовать воде в жидком состоянии, далеко не вся выделявшаяся при дегазации недр вода оставалась в атмосфере, значительная часть ее конденсировалась и выпадала на поверхность. Концентрация водяных паров в атмосфере по мере выведения углекислого газа из нее должна была снижаться тоже - снижение содержания углекислого газа приводило к некоторому остыванию атмосферы, что в свою очередь приводило к дополнительной конденсации водяных паров в ней и к дальнейшему понижению парникового эффекта. А переход дополнительно части парообразной воды в жидкое состояние из-за понижения температуры, в свою очередь способствовал дальнейшему выведению углекислого газа из атмосферы (механизмы чего были описаны ранее).

Вообще, пожалуй стоит признать крайне важную роль углекислого газа если не в формировании абсолютной величины парникового эффекта на Земле (как мы видели в самом начале, сейчас основной вклад в парниковый эффект вносят прежде всего водяные пары), то в его изменении. Можно сказать, что фактически изменение содержания углекислого газа в атмосфере модулирует содержание другого основного парникового газа - водяного пара. Это связано с высокой чувствительностью содержания водяных паров в атмосфере к изменениям температуры окружающей среды, и переходом воды из состояния пара в жидкую и твердую фазу, с дальнейшим удалением из атмосферы в виде осадков. Углекислый же газ, с его весьма низкой точкой замерзания, при всех известных колебаниях температуры на Земле не переходил в другие фазовые состояния. К примеру, во времена великих оледенений протерозоя, когда содержание водяных паров в атмосфере было ничтожно мало, именно накопление углекислого газа в атмосфере в результате вулканической деятельности привело к разогреву поверхности и таянию мощнейшего ледяного панциря.

Не стоит, конечно, забывать и о другой обратной связи - о влиянии содержания водяных паров в атмосфере и парникового эффекта от них, на содержание в атмосфере углекислого газа. Но данное влияние проявляется только в температурных границах существования жидкой воды - речь, прежде всего, идет о свойстве растворимости углекислого газа в воде.

Однако параллельно очень медленному постепенному снижению парникового эффекта изменялся и другой фактор, определяющий термический режим поверхности планеты - постепенно росла светимость Солнца (приблизительно на 30% за период от момента образования Земли по сегодняшний день), что увеличивало приток энергии к Земле. В результате, эти процессы частично друг друга компенсировали в формировании температурного режима Земли. Если бы этого не происходило, сейчас на поверхности планеты было бы либо чрезвычайно холодно (в случае неизменности светимости Солнца при постепенном снижении содержания углекислого газа в атмосфере), либо чрезвычайно жарко (в случае неизменного содержания углекислого газа в атмосфере при постепенном росте светимости Солнца). Например, увеличение нынешней светимости Солнца на 40%, при неизменном содержании парниковых газов должно поднять температуру на поверхности до точки кипения воды и привести к испарению океанов.

Древняя атмосфера во льду.

Когда фирн превращается в лед, атмосферный воздух замыкается в пузырьках. Поэтому, выделяя его из керна, можно узнать о прошлом составе атмосферы, и в частности о содержании парниковых газов. Современная техника анализов позволяет извлекать изо льда и измерять с большой точностью ряд газовых примесей, прежде всего углекислый газ и метан.

Анализ кернов из глубоких скважин показал, что в максимуме валдайского оледенения концентрация СO₂ была на 25% ниже, чем в голоцене (190-200 и 260-280 ppm). Очевидно, первый уровень типичен для эпох оледенения, а второй - для теплых интервалов.

По кернам со станции Восток выявлено соответствие изменений концентрации СO₂ и температур, вычисленных по изотопным данным. Это первое прямое доказательство тесной связи содержания углекислого газа в атмосфере и изменений климата на протяжении всего климатического цикла. Однако спад концентрации СО₂ около 110 тыс. лет назад был не таким резким, как снижение температуры. Любопытно также, что если при переходе от ледниковой эпохи к межледниковью содержание СО₂ и температура меняются синхронно, то при обратном переходе (например, 115 и 75 тыс. лет назад) концентрация углекислого газа уменьшается позднее, чем снижается температура.

Подобная корреляция изменений температуры и содержания СО2 на протяжении всего ледниково-межледникового цикла, очевидно, свидетельствует о наличии причинно-следственной связи. Однако где здесь причина, а где следствие, из этих данных не вытекает. Многие специалисты считают причиной изменение концентрации углекислого газа, но отмеченное запаздывание ее изменений как будто свидетельствует о первичности изменений температуры, за которыми следуют изменения СО₂, в свою очередь усиливающие температурные колебания.

Такой опережающий ход температур создает проблему оценки первичной роли парниковых газов в потеплении климата.

Рис. 3. Содержание парниковых газов в керне со станции Восток

Содержание другого углеродного соединения - метана - в древней атмосфере также тесно связано с ходом палеотемператур. Резкие изменения концентрации метана приходятся на оба ледниково-межледниковых перехода: 150-135 тыс. и 18-9 тыс. лет назад. В эти периоды она резко возрастала (от 0,35 ppm в разгар оледенения до 0,6-0,7 ppm в межледниковые оптимумы). Для валдайской ледниковой эпохи характерны четыре максимума содержания СН₄ во время относительно теплых интервалов, что не так заметно в ходе изменений CO₂.

А так же анализ ледяного керна позволил выявить способность климата к неожиданно резким, внезапным колебаниям. Судя по графикам, весь сдвиг на границе плейстоцена и голоцена занял лишь тысячу лет. А окончание последней холодной стадии, приуроченной к этой границе, произошло менее чем за 20 лет (метановая осцилляция).

.3 Парниковые газы и атмосферные аэрозоли и климат

Водяные пары, углекислый газ, метан и некоторые другие, содержащиеся в атмосфере газы, поглощают инфракрасное тепловое излучение с поверхности Земли, нагреваемой солнечным светом. В результате происходит разогрев атмосферы, который называют «парниковым эффектом». Не следует думать, что это какое-то новое, не наблюдавшееся раньше явление. Он действует на Земле с тех пор, как появилась атмосфера. Без парникового эффекта средняя температура поверхности Земли была бы ниже 0 °С. Но об этом ниже. Пока же поговорим еще непосредственно о парниковых газах.

Самым главным парниковым газом в земной атмосфере на сегодняшний день является водяной пар, что связано с высоким содержанием его в атмосфере и наличием у него широких и мощных полос поглощения в инфракрасной области спектра. Кроме того, у водяного пара присутствуют и полосы поглощения в ближней инфракрасной области спектра и даже в красной области видимого спектра (т.е. захватывается и крайняя часть спектра солнечного излучения), однако эти последние полосы довольно слабы. Вклад водяного пара в общий парниковый эффект составляет ныне около 20,6 °С.

Второй по вкладу в общий парниковый эффект сейчас - это углекислый газ. Его вклад составляет сейчас около 7,2 °С. Однако, как раз на содержание этого газа в атмосфере человечество влияет непосредственно и очень сильно, и современное повышение температуры обусловлено, прежде всего, повышением именно его концентрации в атмосфере. За последние два с половиной столетия (т.е. с начала индустриальной эпохи) его содержание в атмосфере выросло приблизительно на 30%, причем наиболее интенсивно этот рост происходит в последние десятилетия, что вполне понятно - интенсивно растет потребление энергии человечеством, большую часть которой дает сжигание угля и углеводородов. Как и другие парниковые газы, кроме водяного пара, двуокись углерода не вымораживается при низких температурах, и продолжает оказывать влияние на парниковый эффект постоянно на больших высотах, и в высоких широтах. Особенно важно это было во времена глобальных оледенений, происходивших в истории Земли.