人間の文明が地球上の温室効果ガスの主な発生源であるかどうかについてのコメントで激しい議論を引き起こしました. 親愛なる 薄暗い12 火山が放出する二酸化炭素は、現代文明の 100 ～ 500 分の 1 であるという興味深いリンクを示しました。

これに応えて、親愛なる ウラジミール000 彼を持ってきた。 彼の結果として、彼はその排出量を得ました CO2はるかに少ない人類文明: 約 6 億トン:

奇妙な数字の順序を持​​っている何か。 この検索により、地球のすべての発電所の合計電力は 2 * 10 ^ 12 ワットになります。つまり、すべてが化石燃料で稼働していると仮定します。 一年中、約 2 * 10 ^ 16 ワット時の年間消費量、つまり 6 * 10 ^ 15 キロジュールが得られます。

繰り返しになりますが、この検索で​​は、化石燃料 1 キログラムあたり最初の数万 KJ の特定の発熱量が得られます。 簡単にするために 10,000 を取り、処理されたすべての燃料が残留物なしでパイプに流れ込むと仮定します。

次に、人類のエネルギー需要を完全に賄うには、年間 6 * 10^15 / 10^4 キログラム、つまり 6 * 10^8 トンの炭素を燃焼させるだけで十分であることがわかります。 年間600メガトン。 原子力、水力、その他の再生可能発電所がまだあることを考えると、どうすれば最終消費が 500 倍になるかわかりません。

違いは非常に大きいことが判明しました-500倍。 しかし同時に、この 500 倍の違いがどこから来るのか、私にはよくわかりませんでした。 290億トンを6億トンで割ると、50倍の差になります。 一方で、この差は100%ではないことによるものと思われます 効率化石燃料は発電所だけでなく、輸送、家庭暖房、セメント生産にも消費されます。

したがって、この計算をより正確に行うことができます。 これを行うには、単に次の引用符を使用します: " 標準燃料 1 トンの石炭を燃焼すると、2.3 トンの酸素が消費され、2.76 トンの二酸化炭素が排出され、天然ガスを燃焼すると、1.62 トンの二酸化炭素が排出され、同じ 2.35 トンの酸素が排出されます。消費された ".

現在、人類は年間どのくらいの燃料を消費していますか? このような統計は、会社のレポートに記載されています。 血圧. 参考燃料は約130億トン。 したがって、人類は約 260 億トンの二酸化炭素を大気中に排出しています。 さらに、同じデータが排出量に関する詳細な統計を提供します。 CO2毎年。 これらの排出量は常に増加していることになります。

同時に、これらの排出量の半分だけが大気に放出されます。 残り半分

大量の N2 の形成は、30 億年前から光合成の結果として惑星の表面から発生し始めた分子 O2 によるアンモニア水素大気の酸化によるものです。 N2 は、硝酸塩やその他の窒素含有化合物の脱窒の結果として、大気中にも放出されます。 窒素は上層大気でオゾンによってNOに酸化されます。

窒素 N2 は、特定の条件下 (たとえば、雷放電中) でのみ反応を開始します。 放電中のオゾンによる窒素分子の酸化は、窒素肥料の工業生産に使用されます。 低エネルギー消費で酸化され、マメ科植物と根粒菌共生を形成するシアノバクテリア（藍藻類）および根粒菌によって生物学的に活性な形態に変換される、いわゆる. 緑肥。

空気

酸素の放出と二酸化炭素の吸収を伴う光合成の結果として、地球上に生物が出現すると、大気の組成は根本的に変化し始めました。 当初、酸素は、アンモニア、炭化水素、海洋に含まれる鉄の形の鉄などの還元化合物の酸化に費やされました。この段階の終わりに、大気中の酸素含有量が増加し始めました。 徐々に、酸化特性を持つモダンな雰囲気が形成されました。 これにより、大気、リソスフェア、生物圏で発生する多くのプロセスに重大かつ急激な変化が生じたため、このイベントは酸素カタストロフと呼ばれました。

顕生代の間に、大気の組成と酸素含有量が変化しました。 それらは、主に有機堆積岩の堆積速度と相関していました。 そのため、石炭の蓄積期間中、大気中の酸素含有量は明らかに現代のレベルを著しく上回っていました。

二酸化炭素

空気の最も重要な部分の 1 つは二酸化炭素です。 地球の表面近くでは、二酸化炭素はさまざまな量で見つかり、平均して体積で 0.03% です。

二酸化炭素は、火山活動、有機物の分解と腐敗、動植物の呼吸、燃料の燃焼の結果として大気中に入ります。 大気中の二酸化炭素含有量の主な調整役は海洋です。 大気中の平均含有量の約 20% を吸収して大気中に放出します。

二酸化炭素は、大気中の含有量が比較的少ないにもかかわらず、いわゆる「温室効果」に大きな影響を与えます。 短波の太陽放射を地表に通し、地表から来る長波 (熱) 放射を吸収することで、下にある大気層の気温の上昇に寄与します。

工業化の時代には、人為起源の二酸化炭素の含有量が増加しています。

人間活動の影響下で、二酸化硫黄、一酸化炭素、さまざまな窒素酸化物など、大気中の人為起源ガスの含有量が増加します。

生物や植物にとって好ましくない太陽紫外線の一部を吸収するオゾンは、非常に重要な役割を果たしています。 地球の表面では、オゾンは少量検出されます。オゾンは、雷放電の結果として形成されます。 その最大量は 10 ～ 50 km の成層圏 (オゾン層) にあり、高度 20 ～ 25 km の層で最大になります。 この層では、太陽からの紫外線の作用下で、二原子酸素分子が部分的に原子に分解され、後者は、崩壊していない二原子酸素分子と結合して、三原子オゾンを形成します。 オゾンの形成と同時に、逆のプロセスが起こります。

オゾンの濃度は、オゾン分子の形成と破壊の強度に依存します。 オゾン含有量は、赤道から高緯度にかけて増加します。

空気の重要な成分は水蒸気であり、火山噴火の際に水面、陸地から蒸発した結果として大気中に入ります。 大気の下層には、0.1 ～ 4% の水蒸気が含まれています。 高さとともに、その内容は急激に減少します。

水蒸気は、雲や霧の形成に関連する多くの熱力学的プロセスに積極的に関与しています。

エアロゾルは大気中に存在します。これらは、空気中に浮遊する固体および液体の粒子です。 それらのいくつかは凝縮の核であり、雲や霧の形成に関与しています。

自然のエアロゾルには、水蒸気の凝縮中に形成される水滴と氷の結晶が含まれます。 ほこり、森林火災から発生するすす、土壌、空間、火山のほこり、海水の塩。 大気圏にも突入 たくさんの人工起源のエアロゾル - 産業企業、車両などからの排出

エアロゾルは大気の下層に多く含まれています。

4. 大気の構造。

大気の質量は 5.3 * 105 トン 5.5 km までの層で

大気の総質量の 50%、最大 25 km - 95%、最大 30 km - 99% を含みます。 大気の 30 キロメートルの層は、地球の半径の 1/200 または 0.05 です。 直径 40 cm の地球では、この 30 km の層の厚さは約 1 mm です。 大気は地球の表面を覆う薄い膜です。

大気の下限は地球の表面であり、気象学では下層の表面と呼ばれます。 大気には明確に定義された上限がありません。 それはスムーズに惑星間空間に入ります。

あたり 大気の上限条件付きで 1500-2000 km の高さを取り、その上に地球のコロナがあります。

圧力と密度は高さとともに減少します。1013 hPa の地面近くの圧力では、密度は 1.27 * 103 g / m3 であり、高度 750 km では密度は 10-10 g / m3 です。

分布 物理的特性大気中では、高さの変化が水平方向よりも何倍も激しく発生するため、層状の特徴があります。 したがって、垂直方向の温度勾配は、水平方向の勾配よりも数百倍大きくなります。

層への大気の分割は、に従って行われます さまざまなプロパティ空気: 温度、湿度、オゾン含有量、電気伝導率などによる 大気の層の違いは、高さによる気温の分布の性質に最も明確に現れます。 これに基づいて、5 つの主な層が区別されます。

非常に大きい。 二酸化炭素地球上のすべての生物の形成に関与し、水やメタン分子とともに、いわゆる「温室効果」を生み出します。

二酸化炭素値（ CO 2 、二酸化物また 二酸化炭素）生物圏の生活の中で、主に植物によって行われる光合成のプロセスを維持することにあります。

であること 温室効果ガス、空気中の二酸化炭素は、惑星と周囲の空間との熱交換に影響を与え、多くの周波数で再放射された熱を効果的に遮断し、形成に関与します。

で 最近空気中の二酸化炭素濃度が上昇し、それが原因です。

大気中の炭素 (C) は、主に二酸化炭素 (CO 2) の形で存在し、少量はメタン (CH 4)、一酸化炭素、その他の炭化水素の形で存在します。

大気ガスの場合、「ガス寿命」という概念が使用されます。 これは、ガスが完全に更新される時間です。 含まれているガスと同じ量のガスが大気に入るのにかかる時間。 つまり、二酸化炭素の場合は 3 ～ 5 年、メタンの場合は 10 ～ 14 年です。 CO は数ヶ月以内に CO 2 に酸化されます。

生物圏では、炭素はすべての生物の一部であるため、炭素の重要性は非常に高いです。 生物の体内では、炭素は還元された形で含まれており、生物圏の外では酸化された形で含まれています。 したがって、ライフサイクルの化学交換が形成されます：CO 2 ↔ 生物。

大気中の炭素源。

一次二酸化炭素の発生源は、噴火中に大量のガスが大気中に放出されることです。 この二酸化炭素の一部は、さまざまな変成帯で太古の石灰岩が熱分解して発生します。

炭素はまた、有機残留物の嫌気性分解の結果として、メタンの形で大気中に入ります。 酸素の影響下にあるメタンは、急速に二酸化炭素に酸化されます。 大気へのメタンの主な供給者は熱帯林です。

次に、大気中の二酸化炭素は、他の地圏、生物圏、および生物圏の炭素源です。

生物圏における CO 2 の移動。

CO 2 の移動は、次の 2 つの方法で進行します。

最初の方法では、光合成中にCO 2が大気から吸収され、有機物質の形成に関与し、その後、泥炭、油、油頁岩などの鉱物の形で埋葬されます。

2番目の方法では、水圏での炭酸塩の生成に炭素が関与しています。 CO 2 は H 2 CO 3、HCO 3 -1、CO 3 -2 になります。 次に、カルシウム（マグネシウムと鉄はそれほど多くありません）の関与により、炭酸塩の沈殿が生物起源および非生物起源の方法で発生します。 石灰岩とドロマイトの厚い地層が現れます。 A. B. によると、 ロノフ氏によると、生物圏の歴史における有機炭素 (Corg) と炭酸炭素 (Ccarb) の比率は 1:4 でした。

炭素の地球化学的循環は自然界でどのように行われ、二酸化炭素はどのように大気に戻されるのか

二酸化炭素（CO2）。

二酸化炭素は、人間が大気中に放出するすべての温室効果ガスの中でおそらく最も重要です。第一に、二酸化炭素は強力な温室効果を引き起こし、第二に、このガスの多くが人間によって生成されるためです。

二酸化炭素は大気の非常に「自然な」構成要素です。非常に自然であるため、人為起源の二酸化炭素を汚染物質として考え始めたのはつい最近のことです。 二酸化炭素は便利なものです。 しかし、重要な問題は、どの時点で CO2 が過剰になるかということです。 言い換えれば、どのくらいの量で環境に悪影響を及ぼし始めるのでしょうか?

今日の人間の観点から自然に見えることは、進化の過程で地球にとって自然であったこととは大きく異なる場合があります. 人類の歴史は、46 億年以上の地層の非常に薄いスライス (せいぜい数百万年) にすぎません。

一部の環境保護主義者は、ビル・マッキベンの著書「ネイチャーズ・エンド」で説明されているように、二酸化炭素が気候に壊滅的な変化をもたらすのではないかと恐れています。

おそらく、二酸化炭素は地球の初期の大気を支配していました。 現在、大気中の CO2 はわずか約 0.03% であり、最も悲観的な予測では、2100 年までに 0.09% まで上昇するとされています。 約 45 億年前、一部の科学者は、CO2 が地球の大気の組成の 80% を構成し、次の 25 億年の間に最初は 30 ～ 20% までゆっくりと減少したと考えています。 遊離酸素は初期の大気には事実上存在せず、当時存在していた嫌気性生物にとって有毒でした。

今日私たちが知っているように、大気中の二酸化炭素が過剰な状態で人間が存在することは、まったく不可能でした。 人間と動物にとって幸いなことに、CO2 の大部分は地球の歴史の後半に大気から除去されました。海の住人である藻類の初期の形態が光合成能力を発達させたときです。 光合成中、植物は太陽のエネルギーを使用して、二酸化炭素と水を糖と酸素に変換します。 最終的に、進化した藻類やその他のより高度な生命体 (プランクトン、植物、樹木) は死滅し、地球の地殻にあるさまざまな炭素鉱物 (オイルシェール、石炭、石油) の炭素の大部分を隔離しました。 大気中に残っているのは、私たちが今呼吸している酸素です。

二酸化炭素はさまざまな発生源から大気に入りますが、そのほとんどは自然発生源です。 しかし、CO2 の量は、大気から二酸化炭素を除去するメカニズムがあるため、通常はほぼ同じレベルにとどまります (図 5 は、大気中の CO2 の循環の簡略図を示しています)。

CO2 循環の主な自然メカニズムの 1 つは、大気と海面の間のガス交換です。 この交換は、非常に微妙でバランスの取れたフィードバック プロセスです。 そこに含まれる二酸化炭素の量は実に膨大です。 科学者は、便宜上、これらの量をギガ トン (Ggt - 数十億トン) の炭素で測定します。

二酸化炭素は水に容易に溶けます (炭酸水を生成するプロセス)。 また、水からも簡単に放出されます (炭酸水では、これはフィズと見なされます)。 大気中の二酸化炭素は、海面で継続的に水に溶解し、大気中に放出されます。 この現象は、物理的および化学的プロセスによってほぼ完全に説明されます。 世界の海洋の表面は、毎年 90 Ggt の炭素を放出し、92 Ggt の炭素を吸収します。 科学者がこれら 2 つのプロセスを比較すると、実際、世界の海洋の表面は二酸化炭素の吸収源であることがわかります。つまり、大気に放出されるよりも多くの CO2 を吸収します。

大気/海洋循環における二酸化炭素フラックスの大きさは依然として最も大きい 重要な要素、既存のバランスの小さな変化は、他の自然のプロセスに予測できない結果をもたらす可能性があるためです。

生物学的プロセスは、大気中の二酸化炭素の循環において同様に重要な役割を果たします。 CO2 は光合成に不可欠です。 植物は二酸化炭素を「呼吸」し、年間約 102 Ggt の炭素を吸収します。 しかし、植物、動物、その他の生物も CO2 を排出します。 二酸化炭素の形成の理由の1つは、代謝プロセス、つまり呼吸によって説明されます。 呼吸するとき、生物は呼吸した酸素を燃焼します。 たとえば、人間やその他の陸上動物は、生命を維持するために酸素を吸い込み、二酸化炭素を廃棄物として大気中に吐き出します。 計算によると、地球上のすべての生物は、毎年約 50 Ggt の炭素を吐き出しています。

植物や動物が死ぬと、それらに含まれる有機炭素化合物が土壌や沼地のシルトに取り込まれます。 自然はこれらの枯れた生命の産物を庭師のように堆肥化し、さまざまな化学的変化と微生物の働きによってそれらを構成要素に分解します. 科学者によると、崩壊の間、約 50 Ggt の炭素が大気中に戻ります。

したがって、毎年大気から取り込まれる 102 Ggt の炭素は、動植物の呼吸と腐敗によって毎年大気に入る 102 Gg トンの炭素とほぼ 100% 釣り合っている。 既存のバランスのわずかなずれが広範囲に及ぶ結果をもたらす可能性があるため、自然界の炭素フラックスの大きさを十分に認識する必要があります。

大気海洋循環や生物循環に比べれば、人間の活動によって大気中に放出される二酸化炭素の量は、一見すると取るに足らないものに思えます。 石炭、石油、天然ガスを燃やすと、人は約 5.7 Ggt の炭素を大気中に放出します (IPCC による)。 森林を伐採して燃やすと、人はさらに 2 Gg トンを追加します。 森林伐採の結果として大気中に放出された炭素の量については、さまざまな見積もりがあることに注意してください。

自然の炭素循環 (大気/海洋および生物循環) は長い間、適切に調整された平衡状態にあるため、これらの量が一定の役割を果たしていることは間違いありません。 少なくとも、人類の起源と発展が起こった時期にはバランスが保たれていました。 人間の産業活動と農業活動は、炭素収支を著しくゆがめているようです。

さまざまな科学的研究により、過去数世紀にわたって大気中の二酸化炭素濃度が増加していることが示されています。 この間、世界の人口は指数関数的に増加し、産業は蒸気エンジンを使用し始め、内燃機関車が地球全体に広がり、出稼ぎ農民はアメリカ、オーストラリア、アジアの広大な地域から植生を一掃しました。

同時に、大気中の二酸化炭素濃度は、産業革命前 (1750 年) の 280 ppmv から約 353 ppmv (約 25%) に増加しました。 気候が実際に科学者が示唆する程度に温室効果ガスに敏感である場合、この量は重大な変化を引き起こすのに十分である可能性があります. 産業汚染源から遠く離れたハワイのマヌア ロア天文台での測定結果は、1958 年から 1990 年にかけて CO2 濃度が着実に増加していることを示しています (図 6)。 しかし、過去 2 年間、二酸化炭素濃度の上昇は観察されていません。

二酸化炭素濃度と地球の推定平均気温との密接な関係は驚くべきものです (図 7)。 ただし、この相関関係がランダムかどうかはまだ謎です。 気温の変動を CO2 濃度の変動のせいだと考えがちです。 しかし、この関係は逆転することもあります。温度の変化は、二酸化炭素濃度の変化を引き起こす可能性があります。

大気の組成と構造。

大気は地球のガス状のエンベロープです。 大気の垂直範囲は地球半径の 3 倍以上 (平均半径は 6371 km) で、質量は 5.157 x 10 15 トンで、地球の質量の約 100 万分の 1 です。

垂直方向の層への大気の分割は、以下に基づいています。

コンパウンド 大気,

物理的および化学的プロセス;

高度温度分布;

下にある表面との大気の相互作用。

私たちの惑星の大気は、水蒸気を含むさまざまなガスと一定量のエアロゾルの機械的混合物です。 下層 100 km の乾燥した空気の組成は、ほぼ一定のままです。 水蒸気、ほこり、その他の不純物のないきれいで乾燥した空気は、主に窒素 (空気体積の 78%) と酸素 (21%) の混合ガスです。 1 パーセント弱がアルゴンで、非常に少量ですが、キセノン、クリプトン、二酸化炭素、水素、ヘリウムなど、他の多くのガスがあります (表 1.1)。

大気中の窒素、酸素、およびその他の成分は、常に気体の状態で大気中に存在します。これは、臨界温度、つまりそれらが液体状態になる温度が地球の表面で観測される温度よりもはるかに低いためです。 . 例外は二酸化炭素です。 ただし、液体状態への移行には、温度に加えて、飽和状態に達する必要もあります。 大気中に二酸化炭素は多くなく (0.03%)、個々の分子の形をしており、他の大気ガスの分子の間に均等に分布しています。 過去 60 ～ 70 年間で、その内容は人間の活動の影響で 10 ～ 12% 増加しました。

他のものよりも、水蒸気の含有量は変化する可能性があり、その濃度は地球の表面で 高温 4%に達することができます。 高度の上昇と気温の低下に伴い、水蒸気の含有量は急激に減少します（高さ1.5〜2.0 kmで、赤道から極まで半分、10〜15倍）。

北半球の大気中の固体不純物の質量は、過去 70 年間で約 1.5 倍に増加しました。

空気のガス組成の一定性は、空気の下層の集中的な混合によって保証されます。

乾燥空気の下層のガス組成（水蒸気なし）

大気中の主要ガスの役割と重要性

空気 (お)地球のほぼすべての住民にとって不可欠です。 活性ガスです。 他の大気ガスとの化学反応に参加します。 酸素は放射エネルギー、特に 2.4 μm 未満の非常に短い波長を積極的に吸収します。 太陽の紫外線の影響で （バツ< 03 µm)、酸素分子は原子に分解されます。 原子状酸素は、酸素分子と結合して、新しい物質を形成します - 三原子酸素または オゾン（オズ）。 オゾンは主に高地で見られます。 そこには 彼の地球にとっての役割は非常に有益です。 地球の表面では、雷放電中にオゾンが形成されます。

味も匂いもない大気中の他のすべてのガスとは異なり、オゾンには特有の匂いがあります。 ギリシャ語から翻訳された「オゾン」という言葉は、「鋭いにおい」を意味します。 雷雨の後、この匂いは心地よく、新鮮な匂いとして認識されます。 大量のオゾンは有毒物質です。 車が多く、自動車ガスの排出量が多い都市では、雲のないまたはわずかに曇った天候で太陽光の作用でオゾンが形成されます。 街は黄青色の雲に覆われ、視界が悪化しています。 これが光化学スモッグです。

窒素 (N2) は中性ガスであり、大気中の他のガスと反応せず、放射エネルギーの吸収に関与しません。

高度 500 km までの大気は、主に酸素と窒素で構成されています。 同時に、大気の下層に窒素が優勢である場合、高地では窒素よりも酸素が多くなります。

ARGON (Ag) - 中性ガスで、反応を起こさず、放射エネルギーの吸収と放出に関与しません。 同様に - キセノン、クリプトン、その他多くのガス。 アルゴンは重い物質で、大気の上層にはほとんど存在しません。

大気中の二酸化炭素 (CO2) は平均 0.03% です。 このガスは植物にとって非常に必要であり、積極的に吸収されます。 空気中の実際の量は多少異なる場合があります。 工業地帯では、その量は最大0.05％増加する可能性があります。 森の上にある田舎では、畑が少なくなります。 南極上空では、二酸化炭素の約 0.02%、つまりほぼ ウセ大気中の平均量よりも少ない。 二酸化炭素は水に集中的に吸収されるため、海上では同じ量で、さらに少ない - 0.01 - 0.02% です。

地球の表面に直接隣接している空気の層では、二酸化炭素の量も日々変動しています。

夜は多く、日中は少なくなります。 これは、日中は二酸化炭素が植物に吸収されますが、夜間は吸収されないという事実によって説明されます。 地球上の植物は、年間に約 5,500 億トンの酸素を大気から取り込み、約 4,000 億トンの酸素を大気に戻しています。

二酸化炭素は、短波長の太陽光線を完全に透過しますが、地球の熱赤外線を強く吸収します。 これに関連して、温室効果の問題があり、それについての議論が定期的に科学報道のページで、主にマスメディアで燃え上がっています。

ヘリウム (He) は非常に軽いガスです。 から大気圏に入ります。 地殻トリウムとウランの放射性崩壊から。 ヘリウムは宇宙空間に逃げます。 ヘリウムの減少率は、地球の腸からのヘリウムの侵入率に対応しています。 高度 600 km から 16,000 km までの大気は、主にヘリウムで構成されています。 これがヴェルナツキーの言葉を借りれば「地球のヘリウムコロナ」です。 ヘリウムは他の大気ガスと反応せず、放射熱伝達に関与しません。

水素 (Hg) はさらに軽いガスです。 地球の表面近くにはほとんどありません。 上層大気に上昇します。 熱圏と外気圏では、原子状水素が支配的な成分になります。 水素は、私たちの惑星の一番上にあり、最も遠い殻です。 大気の上限まで16,000 kmを超える、つまり高度30〜40,000 kmまでは、水素が優勢です。 したがって、高さのある私たちの大気の化学組成は、水素とヘリウムが最も一般的な元素である宇宙の化学組成に近づきます。 上層大気の最も外側の非常に希薄な部分では、水素とヘリウムが大気から逃げ出します。 それらの個々の原子は、これに対して十分に高速です。