Таблица 11. Сопоставление между индустриальными выбросами CO2 и его действительным увеличением в атмосфере
Годы Индустриальный выброс CO2, ppm Увеличение CO2 в атмосфере Мауна-Лоа (Гавайские острова) Южный полюс Количество CO2, остающееся в атмосфере, % ст. Мауна-Лоа ст. Южный полюс 1960 1,25 0,89 0,72 71 58 1961 1,24 0,68 0,65 55 52 1962 1,30 0,86 0,61 66 47 1963 1,37 0,46 0,61 34 45 1964 1,46 0,60 0,62 41 42 1965 1,52 0,62 0,67 41 44 1966 1,59 0,67 0,74 42 47 1967 1,63 0,78 0,84 48 52 1968 1,73 0,88 0,98 51 57 1969 1,82 1,89 1,13 104 62 1970 1,96 1,32 1,32 67 67 1971 2,02 1,04 — 51 —
Среднее 54% ± 15%
Рассматриваемая задача осложняется еще и тем, что имеются и другие источники антропогенного поступления CO2 в атмосферу: сжигание лесов, промышленной древесины и ее отходов, культивация земель, минеральные источники и т.д. За счет этого поступает дополнительно от 2 до 5 Гт C в год, а в сумме поток антропогенного C в атмосферу дает 7—10 Гт C в год. Всего в атмосфере остается 25—30% антропогенного C, на долю же океана и биосферы приходится около 70%[8].
Существует еще один антропогенный источник C — биосферного происхождения (воздействие на почву, растительность и др.). До середины нашего столетия за счет этого источника С поступало больше, чем от сжигания ископаемого топлива. Позже рост CO2 за счет сжигания ископаемого топлива стал преобладать. В настоящее время по данным радиоуглеродного анализа колец деревьев отношение C, поступившего за счет сжигания ископаемого топлива, к биосферному источнику антропогенного происхождения составляет 2:1.
Рис. 21. Результаты моделирования предполагаемого роста CO2 с учетом антропогенных источников в системе атмосфера—биосфера—океан.
а — скорость выброса антропогенного C; б — содержание C в атмосфере без воздействия на леса; в — то же, при условии ежегодной вырубки 1 % южных лесов
Рис. 20. Интенсивность антропогенного роста CO2 в атмосфере
Определить антропогенное влияние на общее содержание CO2 в атмосфере невозможно, если не исследовать в целом естественный цикл C в системе океан—атмосфера—биосфера при наличии двух источников — сжигания ископаемого топлива и воздействия на биосферу.
Прежде всего нужно охарактеризовать динамику во времени антропогенного поступления CO2 в атмосферу. Сделать это можно при знании роста добычи топлива, технологии очистки продуктов сжигания и процесса воздействия на биосферу, что само по себе пока еще не поддается точному прогнозу. Однако, принимая во внимание темпы роста населения и скорость роста добычи топлива, можно оценить роль антропогенных источников или, по крайней мере, диапазон изменений этих источников.
На рис. 20 приведен график, характеризующий скорость поступления CO2 в атмосферу при различной интенсивности антропогенных источников. Расчеты показывают, что изменение темпов роста от 6,53 (R0 = 0,0653) до 1,53% (R0 = 0,0153) сдвигает время наступления максимальной концентрации с середины следующего столетия к середине XXIV в. Сжигание всего разведанного химического топлива привело бы к увеличению максимальной концентрации CO2 в атмосфере, которая в 8—11 раз превысит концентрацию доиндустриального периода. Влияние океана и биосферы уменьшает эту концентрацию.
Определенное количество CO2, которое будет оставаться в атмосфере, и динамика этого процесса могут быть оценены на основе результатов математического моделирования углеродного цикла, которое осуществляется с помощью так называемых блочных (линейных, нелинейных, комбинированных) математических моделей. Наиболее оптимальны 5—6-блочные модели с указанными выше двумя антропогенными источниками. Атмосферу в этих моделях чаще всего рассматривают как единый резервуар. В ряде современных моделей атмосферу подразделяют на два резервуара, два блока с различными свойствами — тропосферу и стратосферу. Для атмосферы характерно хранение C в виде различных соединений (главное CO2).
Земная биосфера поглощает CO2 в процессе синтеза и хранит C в стволах деревьев, почве, перегное, листве и др. В современных моделях биосферу подразделяют на короткоживущую биоту с характерным временем перемешивания около 2,5 лет (листья, трава и др.) и долгоживущую с характерным временем перемешивания порядка 60 лет. В биосфере содержится около 835 Гт C, хотя по различным оценкам данная цифра несколько колеблется. Около 90% C сосредоточено в лесах.
Роль океана в цикле CO2, по мнению большинства исследователей, исключительна велика, поскольку он является основным источником C и хранителем излишков индустриального CO2. Обычно океан разделяют на два слоя: верхний, хорошо перемешанный толщиной порядка 75 м (деятельный океан), в котором содержится 600—750 Гт C (т. е. примерно столько же, сколько и в атмосфере)[9], и глубинный, медленно перемешивающийся, в нем около 40 тыс. Гт C, т. е. примерно в 50 раз больше, чем в атмосфере и деятельном слое. Часть C глубинного океана находится в виде бикарбонатных ионов и около 1 тыс. Гт в виде растворенного органического вещества[10]. Общее содержание C в почве колеблется от 1 тыс. до 3 тыс. Гт. Это объясняется различными оценками содержания торфа.
Между атмосферой, биосферой и океаном существует непрерывный обмен CO2, причем скорость его зависит от климатического режима. Так, скорость обмена CO2 между атмосферой и деятельным слоем океана обусловлена температурой воды. В результате в высоких широтах поток CO2 направлен в основном из атмосферы в океан, а в южных районах из океана в атмосферу. Наличие загрязняющих океан пленок нефти может уменьшить этот обмен.
Время полного обмена между глубинным океаном и его деятельным слоем порядка 300 лет, между деятельным слоем и глубинным океаном 4—6 лет. Между атмосферой и биосферой и биосферой и атмосферой время обмена соответственно 33 и 40 лет, а между атмосферой и деятельным океаном 5—6 лет[11].
Результаты математического моделирования углеродного цикла с моделями различной сложности зависят от типа и параметров модели, скоростей обмена и т.д. Однако общая качественная картина получается сходной. Результаты моделирования с одной из последних и наиболее полных моделей углеродного цикла, учитывающей влияние биосферы, иллюстрирует рис. 21. На рис. 21б, в приведены результаты моделирования при различных значениях параметра биологического роста (β), характеризующего скорость поглощения антропогенного CO2 биосферой. Чем больше β, тем больше антропогенного CO2 переходит в биосферу. После того как концентрация антропогенного C в атмосфере достигнет максимума, что происходит вслед за максимальным его выбросом, в атмосфере начинается спад концентрации. В пределе концентрация стремится к величине (порядка 10—20%), не намного больше имевшей место в доиндустриальный период в атмосфере. Однако максимальная концентрация C (CO2) в атмосфере будет в 5,5—7 раз выше, чем в предындустриальный период.
