Круговорот углерода. 
Глобальные геоэкологические проблемы

В атмосфере планеты на долю углекислого газа приходится по объему менее 3% или около 740—750 млрд т углерода. Под круговоротом углерода понимается естественный процесс освобождения и связывания диоксида углерода (С0₂), протекающий в геосистеме Земли. Круговорот включает два звена — океаническое и сухопутное, которые объединяются через атмосферу (рис. 10.3). В последние столетия в круговорот вторгается еще одно звено — антропогенное, порождаемое выбросами углерода хозяйственными объектами.

Рис. W.3. Схема циркуляции С0₂:

потоки углерода и его резервуары выражены в миллиардах тонн углерода Круговорот углерода — процесс биогеохимический, так как связывает различные неорганические среды и живые организмы через дыхание и пищевые цепи. Он очень активен и мигрирует по структурным звеньям с высокой скоростью.

В природе углерод существует во многих неорганических и органических соединениях. Неорганические формы углерода — это углекислый газ (С0₂), входящий в состав атмосферы или растворенный в объектах гидросферы (в океанических, речных и прочих водах). В органических соединениях углерод появляется в процессе фотосинтеза, в результате его фиксации из атмосферы. При этом на основе С0₂ и Н₂0 образуются сахара, из которых в дальнейшем возникают многочисленные сложные органические соединения, формирующие фотосинтезирующие организмы. Часть углеводов, образовавшихся в процессе фотосинтеза, используется самими растениями в энергетических целях, другая часть потребляется животными, т. е. служит начальными звеньями пищевых цепей животных и ряда растений. В процессе дыхания углекислый газ выделяется обратно в атмосферу. Отмершие растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и тоже возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане. Но доля углерода, возвращающегося в атмосферу, невелика (около 3 млрд т), и в целом естественный процесс миграции углерода в геосфере планеты достаточно отрегулирован.

Основными резервуарами концентрации углерода на планете служат: Мировой океан, в водах которого сосредоточено около 36 трлн т С0₂, а на суше — ископаемые виды топлива. Их суммарные ресурсы оценивается от 5 трлн до 10 трлн т условного топлива. Фотосинтез зелеными растениями суши ежегодно связывает около 100 млрд т углерода из атмосферы (это один из важнейших потоков круговорота С0₂), и почти половина этого объема (до 50 млрд т) возвращается в атмосферу в процессе дыхания растений и животных. Почвенный и растительный покровы суши — еще один крупный резервуар углерода, в котором сосредоточено до 2 трлн т С0₂. Отмирание и разложение органики высвобождает до 50 млрд т углерода, и еще 90 млрд т поступает в воздух планеты с поверхности океанических вод вследствие разложения гидробионтов.

Сгорание ископаемого топлива на энергоустановках сопровождается выделением С0₂, СО, СН₄, S0₂, NO_x и других газов, которые называются парниковыми и влияют на термический режим атмосферы. Так называемый парниковый эффект определяется следующими причинами. Атмосфера пропускает коротковолновую солнечную радиацию в видимой части спектра, и эта часть радиации беспрепятственно доходит до земной поверхности. Но отходящее от поверхности Земли длинноволновое тепловое инфракрасное излучение (ИК) парниковыми газами задерживается, что и сопровождается значительным повышением температуры нижних слоев атмосферы. Все газы, задерживающие ИК-излучение, считаются «парниковыми»; среди них СО, S0₂, NO_x, СН₄ и др. Но особую роль играет С0₂.

Человеческое общество вторгается в природный круговорот углерода с момента своего существования. Сжигание дров для обогрева жилищ или приготовления пищи сопровождалось созданием локальных объемов углекислого газа, поступавшего в воздух. До промышленной революции XVII в. концентрация С0₂ в атмосфере составляла 280%о. Но только с начала промышленной революции, т. е. с XVII— XVIII вв., объемы выбросов С0₂ приобрели массовый характер и стали ощущаться на глобальном уровне. В начале XXI в. концентрация диоксида углерода в атмосфере планеты составила 380%о, и соответственно наблюдался рост планетарной температуры воздуха.

За последние примерно 350 лет, т. е. с начала промышленной революции, средняя глобальная температура воздуха увеличилась на 0,7 °С; это самый быстрый подъем температуры в приземных слоях атмосферы за весь исторический период (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Изменение температуры за 1000 лет в Северном полушарии.

Со времени массовой регистрации температуры воздуха (около 150 лет) самое теплое десятилетие приходится на декаду — 1995— 2005 гг.; а наиболее теплые года — это 1998, 2002, 2003 и 2004 гг. По прогнозам Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата (UN Intergovernmental Panel on Climate Change), если подобная тенденция сохранится, то в следующие 100 лет глобальная температура увеличится в диапазоне от 1,4 до 4,5 ^НС. Комиссией установлено, что хотя климатические флуктуации происходили и в прошлом из-за изменений солнечной активности или после мощных вулканических извержений, но резкие колебания температурного поля в XX в. — это результат хозяйственной деятельности, и прежде всего выбросов парниковых газов в атмосферу Земли.

Сгорание ископаемого топлива на энергоустановках, при котором выделяются С0₂ и другие парниковые газы, не единственная причина роста температуры воздуха. Вторая причина — широкомасштабное сведение лесов. Оба эти процесса увеличивают содержание углерода в атмосфере Земли.

По расчетам, за год всеми энергетическими установками выбрасывается в воздух до 5 млрд т С0₂. Сведёние лесных массивов играет в этом процессе дополнительную роль, так как при этом изменяются объемы фиксации и высвобождения углерода. За счет только сведения лесов в атмосферу поступает от 1 млрд до 2 млрд т углерода ежегодно. Еще одна статья прихода углерода — высвобождение С0₂ при распашке почв, когда усиливается минерализация органических соединений из гумуса.

Общий объем накопленного в биомассе лесов мира углерода, согласно расчетам, составляет 289 млрд т, в сухостое и опаде — 72 млрд т, в почве — 292 млрд т. За последнее десятилетие запас углерода в лесах сократился на 10 млрд т в основном за счет уменьшения лесной площади (см. табл. 7.4). Эти показатели отражают влияние древесной растительности на углеродный цикл планеты.

С 1990 по 2014 г. общие выбросы С0₂ возросли на 29% и составили 29 млрд т. Почти половина этого объема приходится на развитые страны. Выбросы диоксида углерода на 1 человека в этих странах в пять раз больше, чем в развивающихся странах. В последних только от сжигания биомассы в необорудованных печах ежегодно умирает до 1,5 млн человек, в основном женщины и дети.

Эти глобальные процессы фиксации и эмиссии углерода проявляются по-разному на материках, в пределах макрорегионов и в границах государств. Среди стран по объемам выбросов С0₂ лидируют: Китай (27% общемировых выбросов), США (15), Европейский союз (10), Индия (7). Доля России составляет 4,4% глобальных выбросов.

Рост концентрации парниковых газов и связанные с этим процессом изменение теплового режима и увеличение температур на планете вызвали озабоченность научной и мировой общественности. В 1997 г. было разработано и принято международное соглашение, названное Киотским протоколом. Согласно этому документу развитые страны и страны с переходной экономикой взяли на себя обязательства по количественному сокращению или стабилизации выбросов парниковых газов по сравнению с базовым 1990 г. Первый этап этого международного соглашения, вступившего в силу в 2005 г., закончился в 2008—2012 гг., второй этап будет завершен в 2020 г.

В рамках второго этапа в декабре 2015 г. в Париже состоялся Всемирный конгресс по климату. Он принял важнейшее международное соглашение, получившее название Парижского соглашения по климату, одобренное 195 странами мира. В отличие от Киотского протокола оно объединило усилия всех стран мира по сдерживанию климатических изменений на планете.

Основная цель соглашения — снизить объемы выбросов парниковых газов в атмосферу Земли настолько, чтобы средняя планетарная температура воздуха не поднялась на 2 °C выше по сравнению с показателями доиндустриальной эпохи (XIX в.); (по возможности снизить подъем этого уровня до 1,5 °С).

По расчетам научно-исследовательского института климатических изменений в Потсдаме (Германия), объем эмиссий парниковых газов, получаемых в результате производственной деятельности мирового хозяйства в период с 2050—2100 гг., не должен превышать тот объем, который древесная растительность, почвы и Мировой океан могут нейтрализовать естественным образом.

Согласно Соглашению каждые пять лет будут пересматриваться национальные нормативы для контроля вклада каждой отдельной страны по снижению парниковых выбросов в атмосферу. Ближайшая международная ревизия назначена на 2018 г.

Для оказания финансовой и технологической помощи более бедным государствам на борьбу с последствиями климатических изменений развитые страны обязались выделять средства (до 100 млрд долл, ежегодно до 2020 г.) в специальный климатический фонд. Такая помощь должна предоставляться бедным государствам на программы по переходу на безуглеродную энергетику или на использование возобновляемых источников энергии, а также терпящим ущерб от стихийных бедствий, например из-за подъема уровня океана.

Современный энергетический рост стимулируется двумя тенденциями: технологическим прогрессом и отказом от энергоинтенсивного производства и замещением его энергоэффективными технологиями. Однако погоня за доходами и увеличение населения вновь обостряют дефицит производства энергии. Глобальное потепление вызвало сокращение ледников, изменение частоты и интенсивности осадков, начало созревания культур, увеличение вегетационного периода, инвазию насекомых, подъем уровня морей. Магнитуда и эффекты климатических изменений различны по регионам, но они сильнее в развивающихся странах, где экономическая деятельность больше завязана на климатозависимых технологиях — сельском хозяйстве и рыболовстве. У них к тому же меньше возможностей справляться с климатическими изменениями.

Следует помнить, что последствия нарушения газового состава атмосферы затрагивают все страны, независимо от уровня их дохода. Организация экономического сотрудничества и развития предупреждает, что «продолжение деградации и разрушения природного капитала планеты может поставить под угрозу результаты двухсот лет роста уровня жизни».

Примерная тематика рефератов и контрольных заданий

• 1. Энергетический потенциал планеты и его современное использование.
• 2. Категории традиционных энергетических ресурсов.
• 3. Возобновляемые источники энергии, их геоэкологическое преимущество.
• 4. Неравенство в энергетическом снабжении народонаселения мира.
• 5. Нефть как важнейший источник энергопотребления на планете.
• 6. Размещение и освоение месторождений природного газа по странам мира.
• 7. Ископаемые угли; их историческое и геоэкологическое значение для человечества.
• 8. Геоэкологические и экономические проблемы освоения месторождений сланцевых нефти и газа.
• 9. Геоэкологические последствия мировой энергетики для глобальной геосферы.
• 10. Парниковый эффект; причины явления и связь с энергетикой.
• 11. Внедрение производства энергии в углеродный круговорот планеты; его последствия.