Первый парень на деревне»: углекислый газ

Наука дышит лишь одним воздухом – кислородом фактов. Новые исследовательские методы – это те деревья, что очищают ее атмосферу от углекислоты неточных выводов и насыщают ее кислородом впервые открытых, увиденных и понятых явлений.

В. В. Парин, советский физиолог, академик АН СССР и АМН СССР

Каждый вдыхает кислород, а выдохнуть норовит всякую гадость!

Из миниатюры А. И. Райкина

В конце 1970‑х гг. в адрес ЦК КПСС пришло письмо от учительницы физики одной из станиц Краснодарского края. Оно начиналось словами: «Недавно довелось прочитать…». Как вы думаете, какая информация настолько поразила педагога, что она поспешила обратиться, по сути, в высшую инстанцию на шестой части суши? А информация эта была по поводу… массы кислорода, содержащегося в атмосфере. Увидев соответствующее массе число – около 10¹⁵ т, автор письма вооружилась медицинским справочником, из которого извлекла величину еще одной массы кислорода – на сей раз вдыхаемого взрослым человеком в течение одних суток. Умножив последнюю на количество жителей планеты, она получила суточную потребность в кислороде населения Земли. Заключительным аккордом вычислений стало деление общей массы атмосферного кислорода на только что найденную суточную потребность. И тут (о, ужас!) выяснилось, что кислорода «осталось» всего‑навсего на 50 лет! Именно об этой надвигающейся катастрофе бдительная учительница и поставила в известность высший партийный орган, сопроводив информацию настоятельной просьбой принять незамедлительные меры. В соответствии с заведенной тогда процедурой, письмо было переадресовано в научную организацию, занимающуюся изучением атмосферы, с требованием дать оперативный исчерпывающий ответ на тревожный сигнал «из глубинки». Так письмо оказалось в наших руках.

Успокоить встревоженную женщину не составило большого труда: достаточно было лишь напомнить, что с расходом кислорода и образованием углекислого газа при дыхании людей и животных конкурирует не менее эффективный процесс фотосинтеза в растениях, в результате которого молекулы углекислого газа оказываются связанными водой и образуются кислород и ряд сложных органических молекул. В упрощенном виде сказанное можно записать следующим образом:

настоящее время доминирующую роль в поддержании определенной концентрации кислорода в атмосфере играют доступность и высокая скорость реакций с органическим материалом углекислого газа (CO₂), а значит, самим фактом существования люди обязаны наличию именно его в атмосфере. Однако подаривший нам жизнь «благодетель» в последнее время ее и серьезно осложняет.

Как уже говорилось, CO₂ – важнейший парниковый газ. На нем, по современным оценкам, лежит примерно 60 % ответственности за усиление парникового эффекта (рис. 14).

Рис. 14. Модель молекулы углекислого газа (слева); сухой лед – углекислый газ в твердом виде (справа)

Его главная полоса поглощения приходится на длину волны λ = 15 мкм. Интересно, что именно на этой же длине волны находится и максимум интенсивности излучения поверхности Земли при вышеупомянутой среднегодовой среднеглобальной температуре поверхности 14 °C. Это обстоятельство еще более повышает значимость CO₂ в парниковом эффекте. Это ли не повод поговорить о нем.

Углеродный цикл – один из основных природных циклов как на Земле, так и во Вселенной, в частности, углекислый газ обнаружен в составе атмосферы Марса и Венеры. Основной запас углерода сосредоточен в недрах Земли, и лишь небольшая его доля («обменный резервуар») участвует в обмене с другими геосферами. Схема цикла углерода на Земле представлена на рис. 11 цв. вклейки.

На ранних стадиях формирования нашей планеты CO₂ образовывался в результате процессов окисления как естественный компонент атмосферного воздуха. Позже бо́льшая часть изначального количества CO₂ в форме известняка CaCO₃ и других карбонатов (солей угольной кислоты) была захвачена литосферой.

И в современную эпоху львиная доля поступающего в атмосферу углекислого газа имеет естественное происхождение, а вклад человека (при сжигании им углеродосодержащих веществ – топлива) во второй половине 1970‑х гг. оценивался всего лишь в 4 %.

Атмосферный резервуар углекислого газа во многом определяется биосферой суши с короткоживущей (трава и листва деревьев) и долгоживущей (гумус почвы) составляющими. В целом, по весьма приблизительным оценкам, перегнивание органического материала обусловливает ежегодный выброс 220 миллиардов тонн углекислого газа, еще 330 миллиардов тонн дает океан, вклад вулканов составляет 130–230 миллионов тонн CO₂.

Главный атмосферный источник CO₂ – дыхание растений (в основном ночью). Снижение же его концентрации происходит в результате фотосинтеза в зеленых частях растений (днем). Поэтому в областях с богатой растительностью (в лесах) максимальная концентрация CO₂ бывает рано утром и в конце зимы, а минимальная – в конце дня летом и осенью. При этом отклонение от среднего ее значения (амплитуда колебаний) составляет 10–15 %. Значительный источник CO₂ в атмосфере – гниение растительности (в частности, опавших листьев) и других органических остатков составляющих углеродного цикла. Таким образом, в лесах, неспроста называемых «легкими планеты», углекислый газ не только разрушается, но и образуется.

Вклад в продукцию CO₂, наряду с сезонным листопадом, вносят процессы старения и деградации лесных массивов, болезни растений, а также выгорание лесов в результате пожаров. Следовательно, бесперебойность «дыхания» планеты напрямую зависит от состояния ее «зеленого моря» (неслучайно 2011 г. был объявлен ООН Международным годом защиты лесов). В первую очередь это относится к вечнозеленым тропическим и субтропическим лесам, однако и вклад растительности России также достаточно весом (приблизительно 20–30 %).

Важную роль в углеродном цикле играют болота и зоны вечной мерзлоты, которые аккумулируют углерод в торфе и мерзлом грунте, но высвобождают CO₂ при осушении болот и таянии мерзлоты. Нельзя не упомянуть о других «носителях» углерода. Среди несметного их числа выделим метан (о нем наш рассказ впереди) и монооксид углерода СО (угарный газ). Антропогенные выбросы СО примерно в 1,5 раза превосходят его естественную эмиссию, при этом около 60–80 % такого угарного газа обусловлены автомобильным транспортом. Как метан, так и монооксид углерода, вступая в химические реакции с OH‑радикалами, окисляются в атмосфере до CO₂.

Сам же углекислый газ химически малоактивен, лишь в стратосфере его молекулы разрушаются под действием ультрафиолетового излучения, но процесс этот протекает настолько вяло, что им обычно пренебрегают. Последнее обстоятельство решающим образом определяет характерное время пребывания молекулы CO₂ в атмосфере («время жизни»): по современным оценкам, оно близко к ста годам.

Океанический резервуар CO₂ пополняется при растворении углекислого газа в воде с образованием угольной кислоты и продуктов ее диссоциации (распада). Растворимость CO₂ в воде увеличивается с уменьшением ее температуры и, наоборот, падает с ее увеличением (наглядный тому пример – появление пузырьков газа на стенках стакана с газированной водой при ее согревании – знаком, несомненно, каждому). Поэтому на зиму углекислый газ «отправляется погостить» из атмосферы в океан через холодные моря и реки Севера и возвращается в атмосферу летом из теплых вод и южных рек. Много углекислого газа выбрасывает Тихий океан при явлениях Эль‑Ниньо. Растворимость CO₂ зависит также от состава воды и от уровня ее кислотности (pH). Часть оказавшегося в морской воде углерода связывается, образуя соли угольной и серной кислот, и в последующем участвует в гидрохимических преобразованиях. В морской воде мелкие и мельчайшие водоросли (фитопланктон) поглощают растворенный CO₂ в процессе фотосинтеза, затем по пищевым цепочкам углерод переходит в зоопланктон и в организмы морских животных, а в дальнейшем выпадает на дно океана с их отмершими частями и продуктами жизнедеятельности. Молекулы карбоната кальция (CaCO₃) из донных отложений при некоторых условиях могут снова переходить в воду и участвовать в гидрохимических процессах. Кроме того, карбонатные породы литосферы при выветривании горных пород способны растворяться в воде, создавая значительный по величине потенциальный источник CO₂, замыкая круговорот углерода в природе.

Обратите внимание, что наш рассказ об углекислом газе почти не содержит количественных оценок, характеризующих обсуждаемые процессы, и тем более – их взаимосвязь. Это, безусловно, не случайность, а отражение уровня современных знаний об углеродном цикле. Проблемы, возникающие при его изучении, те же, что и при исследовании климатической системы в целом. О них мы говорили выше, и повторяться нет особого смысла. Однако к тому, чтобы численно охарактеризовать изменения концентрации CO₂ в воздухе, нет никаких препятствий.

На рис. 15 и 16 видно, как изменялась концентрация CO₂ в различные эпохи истории Земли (на врезке – за последнее тысячелетие) и за последние 50 лет. Важно отметить, что за четыре последних ледниковых и межледниковых периода она не превосходила 300 ppm (англ. рarts per million, или «частей на миллион», т. е. молекул CO₂ на миллион молекул воздуха), а именно: 270–290 ppm в межледниковые и 190–200 ppm в ледниковые периоды.

В настоящее время средняя по земному шару концентрация CO₂ достигает 392 ppm, а в доиндустриальный период она находилась на уровне межледниковой (около 280 ppm) и была почти на треть ниже современной.

Концентрация эта, вследствие химической пассивности CO₂, почти не зависит ни от географических координат точки на земном шаре, ни от высотного уровня. Поэтому в большинстве исследований она принимается одинаковой во всей атмосфере Земли.

Рис. 15. Изменения концентрации углекислого газа в палеоэпохи

Даже беглого взгляда на рис. 15 достаточно, чтобы отметить ускоренный рост концентрации CO₂, за последние 50 лет: ежегодно в среднем на 1 ppm или приблизительно на 0,3 % в год в 1960–1980‑х гг., а с конца 2000‑х – до 2,2 ppm или 0,6 %. Считается, что небывалый рост связан с интенсификацией антропогенной деятельности, хотя существуют и другие версии. Согласно имеющимся версиям, подобное можно объяснить:

а) уменьшением содержания углекислого газа в поверхностных водах или уменьшением поглощения CO₂ поверхностью океана (например, из‑за увеличения температуры);

б) вызванным чем‑то ускорением окисления отмершей растительности;

в) вызванным чем‑то сокращением скорости фотосинтеза или усилением дыхания растений;

г) увеличением масштабов окисления углерода из‑за сжигания человеком углеродсодержащего топлива.

Рис. 16. Изменения концентрации углекислого газа за последние 50 лет

Выше отмечалось, что доля антропогенного фактора в углеродном цикле исчисляется лишь немногими процентами, но, согласитесь, и ежегодное увеличение концентрации CO₂ на 0,3–0,6 % по темпам вполне соизмеримо с размером антропогенного фактора (вышеупомянутыми 4 %). В пользу последней версии говорят следующие соображения. Во‑первых, в биосфере Земли последний век не отмечен какими‑либо глобальными изменениями, способными заметно повлиять на интенсивность процессов, упомянутых в версиях б и в. Во‑вторых, наблюдаемого в течение ХХ века увеличения температуры воды в океане недостаточно для объяснения (в соответствии с физическими законами для жидкостей и газов) столь значительного роста атмосферной концентрации CO₂. В‑третьих, методы современного анализа позволяют оценить вклад сжигаемого топлива в общем изменении содержания углекислого газа в атмосфере с помощью соотношения изотопов¹²Си ¹⁴С, благодаря тому, что изотоп ¹⁴С практически не входит в состав ископаемого топлива.

Проведенная оценка показывает сопоставимость темпов роста потребления топлива и увеличения содержания CO₂ в атмосфере.

Упомянем еще об одной проблеме, связанной с увеличением содержания CO₂, – биологической. Растворение дополнительной массы углекислого газа в морской воде влечет за собой увеличение уровня ее кислотности, а это, в свою очередь, представляет большую опасность для существования многих живых организмов. Так, лабораторные исследования показали, что увеличение кислотности морской воды губительно сказывается на раковинах моллюсков, известковых скелетах коралловых полипов, которые буквально разъедаются угольной кислотой.

Итак, увеличение атмосферной концентрации CO₂ в ХХ столетии – непреложный, доказанный измерениями факт. И где‑то на ²/3 глобальное потепление обусловлено именно этим фактом.

Как ни печально, но приходится признать, что сколь‑нибудь существенно воздействовать на природный углеродный цикл мы не в состоянии, а, значит, контролировать содержание CO₂ в атмосфере нам не по силам.

По большому счету, что‑либо сделать можно лишь с теми самыми 4 % из «зоны нашей ответственности», но и эта задача, ой, как непроста: нужно повсеместно отказаться или хотя бы значительно сократить промышленное использование ископаемого топлива в ближайшие десятилетия. Такая цель поставлена, но вряд ли может быть осуществлена, поскольку требует глобальной и затратной модернизации мировой экономики, а также энергичных согласованных действий. Это путь, который еще только предстоит пройти. А пока зададимся вопросом: нет ли других путей, если не альтернативных, то дополняющих данный? Для этого рассмотрим другие парниковые газы.