> Концентрация углекислого газа
Ученые уже давно подозревают, что повышенная концентрация углекислого газа в атмосфере имеет прямое отношение к глобальному потеплению, но, как оказалось, углекислый газ может иметь непосредственное отношение и к нашему здоровью. Человек является основным источником образования углекислого газа в помещении, поскольку мы выдыхаем от 18 до 25 литров этого газа в час. Высокий объем углекислого газа может наблюдаться во всех помещениях, где находятся люди: в школьных классах и институтских аудиториях, в комнатах для совещаний и офисных помещениях, в спальнях и детских комнатах.
То, что нам не хватает кислорода в душном помещении, – это миф. Расчеты показывают, что вопреки существующему стереотипу, головная боль, слабость, и другие симптомы возникают у человека в помещении не от недостатка кислорода, а именно от высокой концентрации углекислого газа.
Еще недавно в Европейских странах и США уровень объема углекислого газа в помещении измеряли только для того, чтоб проверить качество работы вентиляции, и считалось, что СО2 опасен для человека только в больших концентрациях. Исследования же о влиянии на организм человека углекислого газа в концентрации приблизительно 0,1% появились совсем недавно.
Мало кто знает, что чистый воздух за городом содержит около 0,04% углекислого газа, и, чем ближе содержание СО2 в помещении к этой цифре, тем лучше чувствует себя человек.
Осознаем ли мы влияния плохого качества воздуха в помещение на наше здоровье и здоровье наших детей? Понимаем ли мы, как влияет высокое содержание углекислого газа в помещении на нашу работоспособность и на успеваемость учащихся? Можем ли мы понять, почему мы и наши дети такие усталые в конце рабочего дня? В состоянии ли мы решить проблему нашей утренней усталости и раздражительности, а так же плохого ночного сна?
Группой Европейских ученых были проведены исследования того, как влияет высокий (приблизительно 0,1-0,2%) уровень углекислого газа в классах на организм школьников. Исследования показали, что больше половины школьников регулярно испытывают на себе негативное влияние высокого уровня СО2, и следствием этого является то, что проблемы с дыхательной системой, ринит и слабая носоглотка у таких детей наблюдаются гораздо чаще, чем у других детей.
В результате исследований, проведенных в Европе и США было выявлено, что повышенный уровень СО2 в классе ведет к снижении внимания школьников, к ухудшению успеваемости, а так же к увеличению числа пропусков уроков по болезни. Особенно это касается детей, которые больны астмой.
В России подобные исследования никогда не проводились. Однако, в результате комплексного обследования московских детей и подростков в 2004-2004 гг. оказалось, что среди обнаруженных болезней у юных москвичей преобладают заболевания органов дыхания.
В результате недавних исследований, проведенных индийскими учеными среди жителей города Калькутта, выяснено, что даже в низких концентрациях углекислый газ является потенциально токсичным газом. Ученые сделали вывод, что углекислый газ по своей токсичности близок к двуокиси азота, принимая во внимание его воздействие на клеточную мембрану и биохимические изменения, происходящие в крови человека, такие, как ацидоз. Длительный ацидоз в свою очередь приводит к заболеванию сердечнососудистой системы, гипертонии, усталости и другим неблагоприятным для человеческого организма последствиям.
Жители крупного мегаполиса подвергаются негативному влиянию углекислого газа с утра до вечера. Сначала в переполненном общественном транспорте и в собственных автомобилях, которые подолгу стоят в пробках. Затем на работе, где часто бывает душно и нечем дышать.
Очень важно поддерживать хорошее качество воздуха в спальне, т.к. люди проводят там треть своей жизни. Для того, чтоб хорошо выспаться гораздо важнее качественный воздух в спальне, чем продолжительность сна, а уровень углекислого газа в спальнях и детских комнатах должен быть ниже 0,08%. Высокий уровень СО2 в этих помещениях может явиться причиной таких симптомов, как заложенность носа, раздражение горла и глаз, головной боли и бессонницы.
Финские ученые нашли способ решения этой проблемы исходя из аксиомы, что если в природе уровень углекислого газа составляет 0,035-0,04%, то и в помещениях он должен быть приближен к этому уровню. Изобретенное ими устройство удаляет из воздуха помещений избыток углекислого газа. Принцип основан на абсорбции (поглощении) углекислого газа специальным веществом.
Газировка, вулкан, Венера, рефрижератор – что между ними общего? Углекислый газ. Мы собрали для Вас самую интересную информацию об одном из самых важных химических соединений на Земле.
Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.
Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.
А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.
Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.
Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).
Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.
CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.
Углекислый газ в природе образуется из различных источников:
Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.
Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.
Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:
Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.
Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.
CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.
Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.
Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.
Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.
Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.
Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.
Согласно выводам некоторых , уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически , мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.
И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.
Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.
Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от , который разрушает клетки нашего организма.
В атмосфере нашей планеты всего около 0,04% CO2 (это приблизительно 400 ppm), а совсем недавно было и того меньше: отметку в 400 ppm углекислый газ перешагнул только осенью 2016 года. Ученые связывают рост уровня CO2 в атмосфере с индустриализацией: в середине XVIII века, накануне промышленного переворота, он составлял всего около 270 ppm.
Подавляющее большинство специалистов в области вентиляции сходятся во мнении: углекислый газ является индикатором состояния воздуха (авторитетный пруф из АВОК). Много СО2 - значит, много и более вредных веществ (формальдегиды и прочая ядовитая органика, PM2.5 и т.д.). Это логично: ведь если вентиляция не справляется с воздухообменом, то в помещении накапливается и выдыхаемый нами СО2, и весь остальной «воздушный коктейль». Так что вполне резонно измерять концентрацию СО2 в воздухе, чтобы оценить качество этого самого воздуха.Является ли углекислый газ таким же загрязнителем воздуха, как автомобильные выхлопы или промышленные выбросы? Исследования на эту тему противоречивы. Есть много статей про вред СО2 (пример раз , пример два). Меньше исследований, согласно которым углекислый газ практически безвреден, но и такие есть (пример). Если вам интересна эта тема, пишите в комментариях. В будущем мы можем сделать подробный литобзор о влиянии СО2 на здоровье человека.
Наше мнение - углекислый газ однозначно влияет на самочувствие человека (вялость, утомляемость, сонливость). Вспомните, как вы чувствуете себя в душном офисе или квартире с закрытыми окнами. Усредненное влияние СО2 на человека выглядит примерно так:
В среднем по больнице получается такая картина:
Все, заканчиваем с введением. Приступаем непосредственно к измерением. Слово Михаилу Амелькину.
Трип начался с самолёта. Перелет Новосибирск-Москва, около 4 часов. Самолёт полный, аэробус А316. Весь полёт концентрация СО2 около 2000 ppm! Добавьте сюда слишком высокую температуру на борту (около 28°С) и пониженное давление (786 гПа против 1007 гПа на земле), и поймете, почему нас так «колбасит» после перелетов. Для сравнения, в аэропорту прилета около 700 ppm, то есть норма. На обратном пути летел в полупустом самолёте и ситуация была гораздо лучше – весь полёт до 1000 ppm, что приемлемо.
В метро все гораздо лучше. На самой станции под землёй 600 ppm. В старых, «дырявых» вагонах около 700 ppm. Вот в новых вагонах метро, где кондиционеры гоняют воздух по кругу, уже хуже – при неполной загрузке 1200 ppm. В набитом вагоне следует ожидать больше 2000 ppm. Но здесь стоит иметь в виду, что обычно в таких вагонах мы проводим мало времени, 10-20 минут, так что это не очень критично.
Сделал замер прямо на Красной Площади. Уровень около 450 ppm. Это выше, чем за городом, что, скорее всего, объясняется обилием транспорта, котельных и промышленности, которые активно выделяют в воздух СО2, создавая над городом «пузырь» углекислого газа. Но это не страшно. Пока.
Мне повезло, и в моём номере всю ночь концентрация СО2 была меньше 600 ppm. Отлично! Я спал не в духоте. Это потому, что попросил номер с окном во двор и смог держать окно на микропроветривании, не просыпаясь от шума машин. Но вентиляции в номере нет, поэтому плата за свежий воздух тоже не малая - московский смог. Была бы вентиляшка с профессиональными фильтрами - было бы на пятерочку!
Надо сказать, что замеры в квартирах с закрытыми окнами часто показывают очень плохие результаты, пара человек в комнате запросто могут «надышать» 2000 ppm минут за 40-60. А окна обычно закрыты, чтобы не было сквозняков и шума с улицы. Вывод тот же, что и в случае с отелем – дома вентиляция must have. При этом проще и дешевле поставить компактные , чем заморачиваться с полноценной вентиляцией.
Тут картина сильно разная, но одно очевидно (кто-то скажет, что это ясно и без приборов) – любят наши рестораторы экономить на вентиляшке! Например, у меня была деловая встреча в кофейне «Хлеб насущный» на Никольской. Место хорошее, но вот с воздухом беда – 2000 ppm! В такой атмосфере очень сложно думать и решать деловые вопросы. В «Чайхоне №1» на Пушкинской было чуть лучше, до 1500 ppm.
Но есть и хорошие места: в «Старбакс» на Площади революции и в «Пять звёзд» на Павелецкой 700 ppm и 800 ppm соответственно. А вот в самом кинозале этого замечательного кинотеатра было «не айс» - до 1500 ppm весь сеанс. При этом администрация не поскупилась на кондиционеры – в залах было прохладно и это «скрашивало» ситуацию. Но кондеи не заменяют вентиляцию! Температура – температурой, а кислород – кислородом, должно быть и то, и другое.
Пока это вся информация по Москве. Обязуюсь сделать обзорный трип в Новосибирске. Что можно сказать по итогу?
В этот раз не получилось «поохотиться» на СО2 в школах, детсадах и офисах, но есть основания считать, что и там регулярно наблюдаются превышенные концентрации углекислого газа. Немного заспойлерю: уже сделали замеры СО2 в классе одной из новосибирских школ – больше 2000 ppm! А дети же там должны учиться и работать головой. А как требовать от ребенка концентрации и успеваемости, когда голова не варит просто физиологически?
Примечание Tion: скоро будет материал про наше мини-исследование в школе.
Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является водяной пар . При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной , равной 1368 Вт ⁄ м 2 , 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 . При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO 2 является важной компонентой земной атмосферы, 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 .
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 CO 2 - 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 . 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 CO 2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере . 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 эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты . 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 .
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 служит 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.
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 CO 2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии , транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO 2 приводят некоторые виды промышленной деятельности, такие, например, как производство цемента и утилизация попутных нефтяных газов путём их сжигания в факелах .
Большинство источников эмиссии по данным 98−го года РФ CO 2 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 . 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.) русск. было выделено 13-40 % от среднегодовой эмиссии CO 2 , получаемой в результате сжигания ископаемых топлив . 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 .
В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы - часть CO 2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5⋅10 11 т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ⋅10 12 т, то в среднем весь атмосферный CO 2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет . Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO 2 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 .
Сжигание ископаемых топлив, - таких как уголь , нефть и природный газ , является основной причиной эмиссии антропогенного CO 2 . 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 CO 2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн . Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990) . Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO 2 , что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO 2 . Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на 39 % превысила доиндустриальное значение .
Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO 2 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 CO 2 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.) .
В современный период времени концентрация углекислого газа сохраняет устойчивый рост, в 2009 году средняя концентрация CO 2 в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm , в сентябре 2016 года превысила 400 ppm .
Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm , 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 CO 2 . Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы , осуществляющей фотосинтез , является наибольшим .
Весной 2016 года австралийские ученые установили, что концентрация диоксида углерода в атмосфере в районе острова Тасмания достигла 400 ppm .
11 мая 2019 года, зафиксирован новый рекорд концентрации CO 2 в атмосфере: 415,28 ppm (или 0,041528 % углекислого газа в воздухе) .
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 CO 2 оставался в пределах 260-284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс. лет до этого момента времени . Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы , указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO 2 в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике . 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 . В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO 2 в течение голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.
Наиболее продолжительный период измерений уровней CO 2 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 .
На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO 2 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 CO 2 . 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.) русск. 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 CO 2 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 %) .
Снижение уровня атмосферного CO 2 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 CO 2 составляло 760 ppm . По геохимическим данным было установлено, что уровень углекислого газа в атмосфере достиг доиндустриального уровня 20 млн лет назад и составлял 300 ppm.
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O ⟷ Ca 2 + + 2 HCO 3 − {\displaystyle {\ce {CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca^{2+}\ +\ 2HCO3-}}} .
Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO 2 . Так как правая часть реакции содержит кислоту , добавление CO 2 в левой части уменьшает , 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 CO 2 . 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 CO 2 , полученного в результате антропогенной эмиссии, будет растворено в океане, но скорость, с которой будет происходить этот процесс в будущем, остается не до конца определённой .
По способу фиксации CO 2 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 CO 2 в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO 2 в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.
У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO 2 более 1000 ppm .
Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO 2 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 еще очень далека от оптимума для С3-растений.
По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO 2 приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на 41 % , а у С4 - на 22 %.
Добавление в окружающий воздух 300 ppm CO 2 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 CO 2 на
Очень велика. Углекислый газ принимает участие в образовании всего живого вещества планеты и вместе с молекулами воды и метана создает так называемый «оранжерейный (парниковый) эффект».
Значение углекислого газа (CO 2 , двуокись или диоксид углерода ) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании процесса фотосинтеза, который осуществляется растениями .
Являясь парниковым газом , двуокись углерода в воздухе оказывает влияние на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучамое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании .
В последнее время наблюдается увеличение концентрации углекислого газа в воздухе, что ведет к .
Углерод (С) в атмосфере содержится в основном в виде углекислого газа (СО 2) и в небольшом количестве в виде метана (СН 4), угарного газа и других углеводородов.
Для газов атмосферы применяют понятие «время жизни газа». Это время, за которое газ полностью обновляется, т.е. время, за которое в атмосферу поступает столько же газа, сколько в нем содержится. Так вот, для углекислого газа это время составляет 3-5 лет, для метана - 10-14 лет. СО окисляется до СО 2 в течение нескольких месяцев.
В биосфере значение углерода очень велико, так как он входит в состав всех живых организмов. В пределах живых существ углерод содержится в восстановленном виде, а вне пределов биосферы - в окисленном. Таким образом, формируется химический обмен жизненного цикла: СО 2 ↔ живое вещество.
Источником первичной углекислоты являются , при извержении которых в атмосферу выделяется огромное количество газов. Часть этой углекислоты возникает при термическом разложении древних известняков в различных зонах метаморфизма.
Также углерод поступает в атмосферу в виде метана в результате анаэробного разложения органических остатков. Метан под воздействием кислорода быстро окисляется до углекислого газа. Основными поставщиками метана в атмосферу являются тропические леса и .
В свою очередь углекислый газ атмосферы является источником углерода для других геосфер - , биосферы и .
Миграция СО 2 протекает двумя способами:
При первом способе СО 2 поглощается из атмосферы в процессе фотосинтеза и участвует в образовании органических веществ с последующем захоронением в в виде полезных ископаемых: торфа, нефти, горючих сланцев.
При втором способе углерод участвует в создании карбонатов в гидросфере. СО 2 переходит в Н 2 СО 3 , НСО 3 -1 , СО 3 -2 . Затем с участием кальция (реже магния и железа) происходит осаждение карбонатов биогенным и абиогенным путем. Возникают мощные толщи известняков и доломитов. По оценке А.Б. Ронова, соотношение органического углерода (С орг) к углероду карбонатному (С карб) в истории биосферы составляло 1:4.
Каким образом осуществляется геохимический круговорот углерода в природе и как углекислый газ возвращается снова в атмосферу
