Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5  6 | Следующая страница реферата

Известно более миллиона углеродных соединений, тысячи из которых участвуют в биологических процессах. Атомы углерода могут находиться в одном из девяти возможных состояний окисления: от +IV до -IV. Наиболее распространённое явление - это полное окисление, т.е. +IV, примерами таких соединений могут служить [pic] и [pic]. Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме ([pic]), а в литосфере - в виде минералов. Примером состояния окисления +II является малая газовая составляющая атмосферы
[pic], которая довольно быстро окисляется до [pic].Элементарный угрерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля. Ассимиляция углерода в процессе фотосинтеза приводит к образованию восстановленного углерода, который присутствует в биоте, мёртвом органическом веществе почвы, в верхних слоях осадочных пород в виде угля, нефти и газа, захоронённых на больших глубинах, и в литосфере - в виде рассеянного недоокисленного углерода.
Некоторые газообразные соединения, содержащие недоокисленный углерод [pic], в частности метан, поступают в атмосферу при восстановлении веществ, происходящем в анаэробных процессах. Хотя при бактериальном разложении образуется несколько различных газообразных соединений, они быстро окисляются, и можно считать, что в систему поступает [pic]. Исключением является метан, поскольку он также влияет на парниковый эффект. В океанах содержится значительное количество растворённых соединений органического углерода, процессы окисления которых до [pic] известны ещё недостаточно хорошо.

Изотопы углерода.

В природе известно семь изотопов углерода, из которых существенную роль играют три. Два из них - [pic] и [pic] - являются стабильными, а один
- [pic] - радиоактивным с периодом полураспала 5730 лет. Необходимость изучения различных изотопов углерода обусловлена тем, что скорости переноса соединений углерода и условия равновесия в химических реакциях зависят от того, какие изотопы углерода содержат эти соединения. По этой причине в природе наблюдается различное распределение стабильных изотопов углерода.
Распределение же изотопа [pic], с одной стороны, зависит от его образования в ядерных реакциях с участием нейтронов и атомов азота в атмосфере, а с другой - от радиоактивного распада.

Углерод в атмосфере.

Атмосферный углекислый газ.

Тщательные измерения содержания атмосферного [pic] были начаты в 1957 году Киллингом в обсерватории Мауна-Лоа. Регулярные измерения содержания атмосферного [pic] проводятся также на ряде других станций. Из анализа наблюдений можно заключить, что годовой ход концентрации [pic] обусловлен в основном сезонными изменениями цикла фотосинтеза и деструкции растений на суше; на него также влияет, хотя и меньшей степени, годовой ход температуры поверхности океана, от которого зависит растворимость [pic] в морской воде.
Третьим, и , вероятно, наименее важным фактором является годовой ход интенсивности фотосинтеза в океане. Среднее за каждый данный год содержание
[pic] в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники антропогенного поступления [pic] расположены преимущественно в северном полушарии. Кроме того, наблюдаются небольшие межгодовые изменения содержания [pic], которые, вероятно, определяются особенностями общей циркуляции атмосферы. Из имеющихся данных по изменению концентрации [pic] в атмосфере основное значение имеют данные о наблюдаемом в течение последних
25 лет регулярном росте содержания атмосферного [pic]. Более ранние измерения содержания атмосферного углекислого газа (начиная с середины прошлого века) были, как правило, недостаточно полны. Образцы воздуха отбирались без необходимой тщательности и не производилась оценка погрешности результатов. С помощью анализа состава пузырьков воздуха из ледниковых кернов стало возможным получить данные для периода с 1750 по
1960 год. Было также выявлено, что определённые путём анализа воздушных включений ледников значения концентраций атмосферного [pic] для 50-х годов хорошо согласуются с данными обсерватории Мауна-Лоа. Концентрация [pic] в течение 1750-1800 годов оказалась близкой к значению 280 млн[pic], после чего она стала медленно расти и к 1984 году составляла 343[pic]1 млн[pic].

Содержание изотопа [pic]С в атмосферном углекислом газе.

Содержание изотопа [pic] выражается отклонением ([pic]) ([pic]) отношения [pic] от общепринятого стандарта. Первые измерения содержания изотопа [pic] в атмосфере были проведены Килингом в 1956 году и повторены им же в 1978 году. Значение [pic] для атмосферного [pic] в 1956 году было равно 7[pic], а в 1978 составляло -7,65[pic]. Недавно были опубликованы также данные измерений [pic] в углекислом газе воздушных включений в ледниках. В среднем оценки уменьшения [pic] в атмосферном [pic] в течение последних 200 лет составляют 1,0-1,5[pic]. Наблюдаемые изменения содержания
[pic] вызваны главным образом поступлением [pic] в атмосферу с меньшим значением [pic] при вырубке лесов, изменении характера землепользования и сжигания ископаемого топлива.

Содержание изотопа [pic]С в атмосферном углекислом газе.

Количество изотопа [pic] на Земле зависит от баланса между образованием [pic] под воздействием космического излучения и его радиоактивным распадом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной и промышленной революции распределение изотопа [pic] в различных резервуарах углерода сохранялось примерно неизменным. До начала заметных изменений, вызванных выбросами [pic] при испытаниях ядерного оружия, с начала прошлого века до середины текущего происходило уменьшение содержания [pic]. Оно было главным образом вызвано выбросом [pic] за счёт сжигания ископаемого топлива, в котором не содержится радиоактивный изотоп [pic]. Это привело к уменьшению содержания [pic] в атмосфере. Начиная с первых испытаний ядерного оружия в 1952 и 1954 годах наблюдались существенные изменения содержания [pic] в атмосферном углекислом газе. Большое поступление [pic] в атмосферу произошло в результате ядерных испытаний, проведённых США в Тихом океане в 1958 году и СССР в 1961-1962 годах. После этого выбросы были заметно ограничены. Первоначально большая часть радиоактивных продуктов переносилась в стратосферу. Поскольку время обмена между стратосферой и атмосферой составляет несколько лет, то уменьшение концентрации изотопа
[pic] в тропосфере, обусловленное взаимодействием с континентальной биотой и океанами, начиная с 1965 года происходило более медленно за счёт поступления этого изотопа из стратосферы.

Перемешивание в атмосфере.

Перемешивание воздуха в тропосфере происходит довольно быстро.
Пассаты в средних широтах в обоих полушариях огибают Землю в среднем примерно за один месяц, вертикальное перемещение между земной поверхностью и тропопаузой (на высоте от 12 до 16 км) также происходит в течение месяца, перемешивание в направлении с севера на юг в пределах полушария происходит приблизительно за три месяца, а эффективный обмен между двумя полушариями осуществляется примерно за год. Поскольку в данной работе рассматриваются процессы, изменения которых происходят за время порядка нескольких лет, десятилетий и столетий, можно считать, что тропосфера в любой момент времени хорошо перемешана. Это предположение основано на том, что средние годовые значения концентрации [pic] для высоких северных и высоких южных широт отличаются только на 1,5-2,0 млн[pic]. В северном полушарии концентрация [pic] выше, чем в южном. Различие концентраций в северном и южном полушариях, вероятно, вызвано тем, что около 90% источников промышленных выбросов расположено в северном полушарии. За последние десятилетия эта разница увеличилась, поскольку потребление ископаемого топлива также возросло.

Обмен между стратосферой и тропосферой происходит значительно медленнее, чем в тропосфере, поэтому сезонные колебания концентрации атмосферного углекислого газа выше тропопаузы быстро уменьшаются. В стратосфере рост концентрации [pic] значительно запаздывает по сравнению с её ростом в тропосфере. Так, согласно измерениям, концентрации [pic] на высоте 36 км примерно на 7 млн[pic] меньше, чем на уровне тропопаузы (т.е. на высоте 15 км). Это соответствует времени перемешивания между стратосферой и тропосферой, равному 5-8 годам.

Газообмен в системе атмосфера - океан.

Скорость газообмена.

В стационарном состоянии, существовавшем в доиндустриальное время, более 90% содержащегося на Земле изотопа [pic] находилось в морской воде и донных отложениях (содержание [pic] в последних составляет всего несколько процентов). Существовал примерный баланс между переносом [pic] из атмосферы в океан и радиоактивным распадом внутри океана. Средний глобальный обмен
[pic] между атмосферой и океаном можно определить путём измерения разности содержания [pic] в углекислом газе атмосферы и растворённом [pic] в поверхностном слое океана. Данные наблюдений за уменьшением концентрации
[pic] в атмосфере и её увеличением в поверхностных водах океана после проведения испытаний ядерного оружия дают ещё одну возможность определить скорость газообмена. Третий способ оценки скорости газообмена между атмосферой и океаном заключается в измерении отклонения от состояния равновесия между [pic] и [pic], обусловленного поступлением [pic] из океана в атмосферу. Средняя скорость газообмена [pic] между атмосферой и океаном при концентрации [pic] в атмосфере 300 млн[pic], полученная на основе этих трёх способов, равна 18[pic]5 моль/(м[pic]год). Это означает, что среднее время пребывания [pic] в атмосфере равно 8,5[pic]2 лет. Скорость газообмена на границе раздела между атмосферой и океаном зависит от состояния поверхности океана, от скорости ветра и волнения.

Буферные свойства карбонатной системы.

При растворении [pic] в морской воде происходит реакция гидратации с образованием угольной кислоты [pic], которая в свою очередь диссоциирует на ионы [pic]. Карбонатная система определяется суммарной концентрацией растворённого неорганического углерода ([pic]); полным содержанием боратов
([pic]В); щелочным резервом (А); кислотностью (pH); парциальным давлением расворённого углекислого газа [pic], которое при условии равновесия с атмосферой равно парциальному давлению [pic] в атмосфере. При поглощении
[pic] морской водой щёлочность остаётся неизменной, а образование и разложение органических и неорганических соединений приводит к изменению как [pic], так и А. Карбонатная система имеет следующие основные особенности:
1. Растворимость [pic] в морской воде и соответственно концентрация суммарного углерода, находящегося в равновесии с атмосферным [pic] при заданном значении концентрации последнего, зависят от температуры.
2. Обмен [pic] между газовой фазой и раствором зависит от так называемого буферного фактора, который также называют фактором Ревелла.
Растворимость и буферный фактор увеличиваются при понижении температуры.
Так как изменение парциального давления углекислого газа в направлении от полюса к экватору невелико, в среднем [pic] переносится из атмосферы в океан в высоких широтах и в противоположном направлении в низких, хотя наблюдаются отклонения от этой упрощённой картины вследствие того, что в результате апвеллинга из глубинных слоёв океана к поверхности приносятся обогащённые углекислым газом воды. Буферный фактор имеет величину порядка
10 и увеличивается с ростом значений [pic]. Это означает, что [pic] чувствительно к довольно малым изменениям [pic] в воде. При сохранении равновесия в системе атмосфера - поверхностные воды океана изменение концентрации [pic] в атмосфере примерно на 25% в течение последних 100 лет вызовет изменение содержания суммарного расворённого неорганического углерода в поверхностных водах только на 2-2,5%. Таким образом, способность океана поглощать избыточный атмосферный [pic] в 10 раз меньше той, которую можно было бы ожидать исходя из сравнения размеров природных резервуаров углерода.

Углерод в морской воде.

Полное содержание углерода и щёлочность.

Как показали исследования, содержание суммарного неорганического углерода в океане в 1983 году более, чем в 50 раз превышало содержание
[pic] в атмосфере. Кроме того, в океане находятся значительные количества растворённого органического углерода. Вертикальное распределение [pic] не является однородным, его концентрации в глубинных слоях океана выше, чем в поверхностных. Наблюдается также увеличение концентрации [pic] от довольно низких значений в глубинных водах Северного Ледовитого океана к более высоким значениям в глубинных водах Атлантического океана, к ещё более высоким в Южном и Индийском океанах до максимальных В Тихом океане.
Вертикальное распределение щёлочности очень похоже на распределение [pic], однако пределы изменений щёлочности значительно меньше и составляют примерно 30% изменений [pic]. Интересно отметить, что поверхностные концентрации [pic] были бы на примерно на 15% выше, если бы океаны были хорошо перемешаны, что в свою очередь означало бы, что концентрация [pic] в атмосфере должна быть около 700 млн[pic]. Наличие вертикальных градиендов
[pic](так же как и щёлочности) в океанах оказывает существенное влияние на концентрации атмосферного [pic].

Фотосинтез, разложение и растворение органического вещества.

Деятельность морской биоты практически полностью ограничена поверхностными слоями океана, где происходит интенсивный фотосинтез в фотической зоне и бактериальное разложение, которое сосредоточено главным образом также в верхнем стометровом слое океана. По-видимому, только около
10% первичной продукции в виде мёртвой органики в основном в форме фекальных пеллет и остатков организмов достигает более глубоких слоёв океана, и, вероятно, около 1% этого вещества откладывается на океаническом дне. Полная первичная продуктивность океана составляет около [pic]г С/год, но скорость фотосинтеза на единицу площади значительно изменяется: от 0,5 г

С/(м[pic]сутки) и более в зонах интенсивного апвеллинга до менее 10% этого значения в пустынных областях океана, которые характеризуются даунвеллингом и недостатком питательных веществ. Фотосинтез зависит от доступного количества питательных веществ. Везде, где достаточно света, питательные вещества расходуются быстро. Отсутствие азота и фосфора чаще всего лимитирует скорость образования первичной продукции. Однако в высоких широтах, особенно в Южном океане, наличие сравнительно больших концентраций как азота, так и фосфора в поверхностных водах указывает на то, что какой- то другой фактор (вероятно, освещённость) лимитирует первичную продуктивность.

В процессе образования первичной продукции, включающей как органические, так и неорганические соединения углерода, концентрация [pic] уменьшается. Влияние этого процесса на щёлочность может быть различным.
Каждый использованный при образовании органического вещества микромоль углерода увеличивает щёлочность примерно на 0,16 мкэкв, а когда углерод используется для образования [pic], она уменьшается на 2 мкэкв. Таким образом, различия в пространственном распределении [pic] и щёлочности содержат информацию об относительных значениях продукции и разложения или растворения органического и неорганического вещества в океане. Несомненно, что увеличение концентрации атмосферного [pic] создаёт поток [pic] из атмосферы в океан, который в свою очередь должен был изменить доиндустриальное распределение [pic] в верхних слоях океана.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: автомобили реферат доход реферат, 2 класс изложение.



Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5  6 | Следующая страница реферата

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки