Диоксид углерода (CO2), наряду с водяным паром, считается самым важным природным парниковым газом на Земле. Быстрый рост концентрации CO2 в атмосфере, вызванный деятельностью человека, такой как сжигание ископаемого топлива, изменение землепользования или производство цемента, за последние 250 лет вызвал опасения, что изменения в климатической системе Земли могут происходить гораздо быстрее и масштабнее, чем в течение последних 20 000 лет.
Поэтому изучение глобальных путей углеродного цикла и поиск подходящих стратегий адаптации и смягчения его последствий стали предметом серьезной озабоченности во многих областях исследований. Океаны играют ключевую роль в регулировании концентрации CO2 в атмосфере и в настоящее время поглощают около 25% годовых антропогенных выбросов углерода в атмосферу.
В данный момент особое внимание уделяется сложному взаимодействию различных физических, химических и биологических процессов, обеспечивающих как положительные, так и отрицательные значения потоков CO2 в воздушной и антропогенной средах, а также увеличению поглощения CO2 в качестве регулирующей силы радиационного потепления атмосферы и постепенного закисления океанов.
В атмосфере диоксид углерода (CO2) встречается в очень малой доле (в настоящее время около 400 ppm. Тем не менее, в связи с его высокой распространенностью по сравнению с другими парниковыми газами, он считается наиболее важным газом наряду с водяным паром.
Парниковый эффект CO2 может быть связан со структурой молекул: колебательные и вращательные движения газообразных молекул CO2 резонируют с тепловым излучением, оставляя поверхность Земли в диапазонах, центрированных на различных дискретных длинах волн, нагревая тем самым нижнюю атмосферу.
Основной диапазон поглощения (комбинированный колебательный и вращательно-резонансный режим) CO2 центрируется на длине волны 15 мкм. Поступающее солнечное излучение имеет короткую длину волны (в основном от 0,5 до 1 мкм). Тепловое излучение, исходящее с Земли, имеет большую длину волны (обычно от 5 до 20 мкм). Без естественного парникового эффекта и при условии, что поглощение и альбедо Солнца останутся неизменными на нынешнем уровне, средняя температура - 19 ◦C будет преобладать над поверхностью Земли, вместо фактической средней величины около 15 ◦C.
До индустриальный уровень атмосферного CO2, выраженный в виде отношения объема смешивания, составлял около 278 ppm с незначительными колебаниями около этого уровня. Из-за естественной изменчивости резервуаров углерода на суше и в океане, а также вулканической деятельности и сохраняющейся небольшой тенденции, восходящей к последнему процессу дегляцирования.
Начало индустриализации и антропоцена как эпохи фундаментального антропоценового воздействия на систему Земли можно отнести к 1776 году, когда усовершенствованный дизайн парового двигателя Джеймсом Ваттом позволил использовать его в работе. Граница в 300 ppm была пройдена в начале 20 века.
Наибольший вклад в этот антропогенный выброс CO2 вносит прежде всего сжигание запасов ископаемого топлива, которые обычно выделяются из атмосферы.
А также, изменения в землепользовании являются существенным фактором, за которым следует производство цемента.
С тех пор ученые предпринимают попытки количественно оценить судьбу ископаемого топлива в связи с естественным углеродным циклом. Была сделана первая оценка конечной способности океана поглощать из атмосферы CO2: около 11 части выбросов CO2 в конечном итоге скапливаются в толще океанических вод после неоднократных циклов смешивания и взаимодействия с известковыми отложениями, на что требуется нескольких 10 000 лет.
Когда речь заходит о важности антропогенных парниковых газов для изменения баланса тепла в атмосфере и, следовательно, климатической системы, CO2, безусловно, является самым важным из них. Другие радиоактивно активные микрогазы, такие как метан (CH4), галоиды и закись азота (N2O), обладают более высоким парниковым потенциалом на молекулу, чем CO2, но менее многочисленны в атмосфере.
Поэтому CO2 является наиболее важным антропогенным движущим фактором изменения климата . Таким образом, основное внимание уделяется СО2 и океану, как углеродному поглотителю.
В связи с продолжающимся высоким энергопотреблением в богатых странах и ускорением производства энергии,текущие и последние годовые темпы выбросов CO2 находятся на уровне самого пессимистичного сценария выбросов.
Учитывая ключевую роль океанов в глобальном углеродном балансе, крайне важно расширить знания об их прошлом, настоящем и будущем количественном воздействии на регулирование концентрации CO2 в атмосфере.
Общие концепции круговорота углерода в океане
Океаны регулируют атмосферный CO2 главным образом с помощью двух механизмов:
- Первый состоит из абиотического неорганического круговорота углерода, который включает газовый обмен CO2 в воздухе и море, растворение CO2 и гидратацию в углекислый газ (смешение углекислого газа, а также, диссоциацию углерода.
- Второй механизм описывает круговорот углерода вследствие биологической активности.
Процессы неорганического углеродного цикла
Морская вода соленая и содержит практически все химические элементы таблицы. Благодаря своему слабому щелочному составу, она может содержать ионные соединения слабых кислот в растворе. Диоксид углерода или углекислый газ (H2CO3) в сочетании с водой (H2O) диссоцируется в морской воде в основном в бикарбонат (HCO-3) и карбонат (CO2-3), при этом в растворенном состоянии удерживается лишь небольшое количество CO2.
Суммарный показатель HCO-3, CO2-3 и CO2 называется
суммарный растворенный неорганический углерод (DIC).
За геологическое время в океанах образовалось огромный резервуар DIC за счет взаимодействия морской воды с отложениями, выветривания с суши, газообмена с атмосферой и газообразования из недр Земли.
В до индустриальные времена этот резервуар DIC был в 65 раз больше, чем атмосферный резервуар до индустриального CO2 и примерно в 20 раз больше, чем углерод в земле, связанный с живой и мертвой биомассой, включая почвы.
DIC распространяется в океанах как пассивный индикатор (например, краситель) с течениями и турбулентным перемешиванием. В упрощенной модели перенос углерода в океанах в основном следует за крупномасштабной океанической циркуляцией: в северной части Северной Атлантики поверхностные воды перемещаются вглубь моря в процессе глубоководного образования.
Растворимость CO2 газа в морской воде увеличивается с понижением температуры. Поскольку только что образовавшаяся глубоководная вода холодная, перенос вниз фракции углерода, растворенной в морской воде из-за высокой растворимости CO2, также называется насосом растворимости.
Однако диссоциация CO2 на бикарбонат и ионы карбоната антагонистична к растворимости, уменьшается с понижением температуры и в определенной степени компенсируется этим. В теоретическом океане, где насос растворимости действует только на всю поверхность до глубокого градиента, DIC будет слегка положительным.
На своем пути через океанскую часть глубоководья он поднимается вверх по течению в Южный океан вокруг Антарктиды, где смешивается с водными массами со всех океанов, а затем снова охлаждается, образуя глубокие и промежуточные воды, которые распространяются на Атлантический, Тихий и Индийский океаны.
Круг замкнут за счет переноса верхних водных масс из районов апвеллинга и обратно в районы глубоководного пространства в Северной Атлантике и Южном океане, который проходит через Индийский океан (тепловодный путь) или через Дрейковый канал (холодоводный путь между Южной Америкой и Антарктидой).
Вода, которая провела больше всего времени вдали от атмосферы, находится в северной части Тихого океана на глубине около 2000 м и насчитывает около 1500 лет.
Антропогенное возмущение углеродного цикла произошло только за последние 250 лет, а разбавление высоких антропогенных углеродных нагрузок из верхних слоев океана крупными глубоководными резервуарами за счет процессов смешивания займет не менее в 6 раз больше времени.
Кроме того, чем медленнее океаническая циркуляция и смешивание происходят с текущим изменением климата, тем меньше поглощение углекислого газа в поверхностных водах и значит менее эффективным будет поглощение океаном углерода, при дополнительных количествах CO2 в атмосфере, поскольку углекислый газ меньше растворяется в бикарбонате и карбонате в воде с высоким содержанием CO2.
