Углекислый газ в атмосфере Земли

Углеки́слый газ в атмосфе́ре Земли́ является компонентом с незначительной концентрацией в современной земной атмосфере, концентрация углекислого газа (CO₂, диоксида углерода) в сухом воздухе составляет 0,03—0,045 об. % (300—450 ppm). Углекислый газ составлял основу атмосферы молодой Земли наряду с азотом и водяным паром. Доля углекислого газа снижалась с момента появления океанов и зарождения жизни. Начиная с середины XIX века отмечается устойчивый рост количества этого газа в атмосфере, с ноября 2015 года его среднемесячная концентрация стабильно превышает 400 ppm^[1], а в 2022 году в полтора раза превысила доиндустриальную^[2].

Роль углекислого газа в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, диоксид углерода в воздухе влияет на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучаемое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты^[3].

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до 20 % антропогенных выбросов CO₂ являются результатом обезлесения^[4][5]. Впервые антропогенное влияние на концентрацию диоксида углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп его роста увеличивался и в 2010-х годах происходил со скоростью 2—3 ppm/год^[6] или 0,5—0,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO₂ в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 14^[7] или 20 млн лет^[8][9].

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является газообразная вода, присутствующая в воздухе в виде водяного пара^[10]. При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 Вт⁄м², средняя температура на поверхности должна составлять −19,5 °C. В действительности средняя температура поверхности Земли составляет +14 °C, то есть, парниковый эффект приводит к её увеличению на 34 °C^[11]. При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO₂ является вторым по значимости парниковым газом в атмосфере, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания молекулы). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту^[3]. Так как на основных частотах поглощения атмосферный CO₂ полностью исключает переизлучение в космос, текущее увеличение концентрации сказывается только в полосах поглощения, где его современное влияние на спектр переизлучения Земли приводит лишь к частичному поглощению. В целом наличие углекислого газа и его парникового эффекта в атмосфере приводит к увеличению приповерхностной температуры на величину порядка +8±1 °C, а влажность воздуха ответственна за оставшуюся часть парникового эффекта при малом влиянии других газов^[12].

Кроме инфракрасных свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO₂ — 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности^[13]. Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO₂ приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере^[14][15][16]. Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды (18 г/моль) — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm (414,7 ppmv в среднем за 2021 год^[17]) эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты^[18]. Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго^[19][20][21].

Теория глобального потепления не может объяснить тот факт, что содержание углекислого газа было когда-то многократно выше (особенно до появления кислорода) но жизнь возникла и процветала, венерианский сценарий не реализовался. Это предполагает наличие отрицательной обратной связи. Таким «охлаждающим» эффектом могут служить облака, отражающие солнечную радиацию и возникающие при ещё большем содержании углекислого газа, чем есть сейчас. Оба явления, — потепления и похолодания, таким образом являются стабилизирующими механизмами для условий жизни на Земле^[22].

К естественным источникам диоксида углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе гниения органических остатков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO₂ в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO₂ приводят некоторые виды промышленной деятельности, такие, например, как производство цемента и утилизация попутных нефтяных газов путём их сжигания в факелах.

Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.

Большинство источников эмиссии по данным 98−го года РФ CO₂ являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют 330 млрд^[18]. Пожары, возникающие в том числе по естественным причинам, из-за самого процесса горения в атмосфере и — в случае выгорания лесных массивов — за счет обезлесения приводят к эмиссии, которая сравнима с антропогенной. Например, в ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров 1997 года^[англ.] было выделено 13—40 % от среднегодовой эмиссии CO₂, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив^[23][24]. Вулканическая активность была главным источником углекислого газа во времена молодой Земли, в современный геологический период вулканическая эмиссия составляет около 130–230 млн тонн в год или менее 1 % от антропогенной^[25][26].

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы — часть CO₂ растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5⋅10¹¹ т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ⋅10¹² т, то в среднем весь атмосферный CO₂ участвует в углеродном цикле раз в шесть лет^[18]. Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO₂ биосферой превосходило его выделение на ≈17 млрд тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрации^[18][27].

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO₂. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами^[28]. Соотношение увеличения количества CO₂ в атмосфере ко всему выделенному CO₂ составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет^[27].

Сжигание ископаемых топлив, — таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO₂. Вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO₂), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн^[29]. Сведение лесов под землепользование привело к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990)^[29]. Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO₂, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO₂^[30]. Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на 39 % превысила доиндустриальное значение^[31].

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO₂ не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

К другим факторам, увеличивающим содержание CO₂ в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона, 1859 г.)^[32].

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO₂ оставалось в пределах 100 ppm, то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило 40 %^[33]. При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума 9000—5000 лет до н. э. была приблизительно на 1—2 °C выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала 9 °C^[34].

Современный вулканизм в среднем приводит к выделению 2⋅10⁸ тонн CO₂ в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии^[25]. Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожжённого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ — второй по количеству (после водяного пара) газ, выделяемый вулканами. Большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворённым в воде^[35]. Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO₂, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объёма вулканической эмиссии CO₂^[35].

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки 1783 года выделилось примерно 90 млн тонн CO₂, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн^[35]. Отдельные исследования указывают на несколько бо́льшее выделение диоксида углерода при упомянутых выше извержениях (Лаки 1783 год ≈6,5⋅10⁸ т), но относительная редкость подобных событий делает их влияние на содержание углекислого газа несущественным и в этом случае^[35].

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо 1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на 0,5 °C средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта. Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 1990-х годов. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO₂ растительностью^[36].

В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO₂ в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm, в сентябре 2016 года превысила 400 ppm^[37][38].

Вместе с годовым ростом 2—3 ppm/год^[6], в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3—9 ppm, которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии. Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO₂. Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы, осуществляющей фотосинтез, является наибольшим^[39].

Весной 2016 года австралийские ученые установили, что концентрация диоксида углерода в атмосфере в районе острова Тасмания достигла 400 ppm^[40].

В 2017 году Всемирная метеорологическая организация сообщила, что концентрация диоксида углерода в атмосфере Земли достигла самого высокого уровня за последние 800 тысяч лет уровня: 403,3 ppm^[41].

По данным Погодной обсерватории на Мауна-Лоа в 2021 году зафиксирован новый среднегодовой максимум концентрации CO₂ в атмосфере 417,7 ppm^[17], а в мае 2022 — среднемесячный 420,99 ppm^[2].

Наиболее достоверным способом измерения концентраций атмосферного диоксида углерода в период времени до начала прямых измерений является определение его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии. Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO₂ оставался в пределах 260—284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени^[42]. Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO₂ в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике^[43][44]. Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде. Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция^[45]. В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO₂ в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO₂ на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация диоксида углерода изменялась в пределах 180—210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280—300 ppm в более теплые периоды^[8][33][46].

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO₂ определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных пород и вулканизм в изучаемый период. На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO₂. Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии диоксида углерода с последующим изменением его уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные^[англ.] методы датирования. Они включают определение соотношения изотопов бора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения менее точны, чем данные по ледяным кернам, они позволяют определить очень высокие концентрации CO₂ в прошлом, которые 150—200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400—600 млн лет назад — 6 000 ppm (0,6 %)^[9].

Снижение уровня атмосферного CO₂ прекратилось в начале пермского периода, но продолжилось, начиная примерно с 60 млн лет назад. На рубеже эоцена и олигоцена (34 миллиона лет назад — начало формирования современного ледяного щита Антарктиды) количество CO₂ составляло 760 ppm^[47]. По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.

В земных океанах диоксида углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36⋅10¹² тонн в пересчёте на углерод. Растворенный в воде CO₂ содержится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO₂. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

${\displaystyle {\ce {CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca^{2+}\ +\ 2HCO3-}}}$.

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO₂. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO₂ в левой части уменьшает pH, то есть приводит к закислению океана. Другие реакции между диоксидом углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и его ионов.

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO₂. В течение сотен миллионов лет этот процесс привёл к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли. В конечном итоге большинство CO₂, полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой^[48].

По способу фиксации CO₂ подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4. К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около 95 % растительной биомассы Земли это С3-растения). К группе С4 принадлежат некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, просо.

С4-механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций CO₂ в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO₂ в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO₂ более 1000 ppm.

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO₂ в 400 ppm. Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент более 400 молекул на миллион (ppm), уже достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё ещё очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO₂ приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на 41 %, а у С4 — на 22 %.

Добавление в окружающий воздух 300 ppm CO₂ приведет к росту продуктивности у С3-растений на 49 % и у С4 — на 20 %, у фруктовых деревьев и бахчевых культур — на 24 %, бобовых — на 44 %, корнеплодных — на 48 %, овощных — на 37 %.

С 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации CO₂ на 9 %, отмечалось увеличение содержания биомассы в лесах Европы на 25–30 %^[49].

• Углекислый газ
• Геохимический цикл углерода
• Глобальное потепление
• Изменение климата
• Киотский протокол
• Ископаемое топливо
• Эффективность фотосинтеза
• Погодная обсерватория на Мауна-Лоа
• Список стран по эмиссии CO2

• Углекислый газ в атмосфере земли, Б. М. Смирнов, Объединённый институт высоких температур РАН, 126 (11) (1978), Москва