Главная > Разное > Эволюция атмосферы, биосферы и климата
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 6. Обмен углекислым газом между атмосферой и океаном

В характере круговорота углерода в биосфере важную роль играет поглощение (и растворение) углекислого газа океаном при низких температурах или его выделение при высоких температурах. В своих исследованиях В. А. Костицын не учитывал влияние этого процесса. В то же время включение его в структуру механизма круговорота может существенно изменить характеристики циркуляции углерода. Попробуем рассмотреть механизм круговорота углерода с учетом взаимодействия океана и атмосферы, оставаясь в рамках нульмерной модели Костицына.

Для этого нам придется вместо одной характеристики у ввести две. Обозначим через общую массу углекислого

газа в атмосфере, а через общую массу углекислого газа, растворенного в океане. В соответствии с этим мы должны теперь различать количество углекислоты в растениях, обитающих на суше и в океане Точно так те ее количество в животных, обитающих на суше и в океане, будем обозначать через соответственно. Циклы обмена с учетом живой материи в океане и атмосфере будут независимыми.

Вместо уравнений (2) — (5) модели Костицына мы будем иметь следующую систему уравнений:

Кроме тех обозначений, которые введены в разделе V работы Костицына, мы ввели еще два обозначения: характеризует снос органических остатков в океан, прежде всего, за счет водной эрозии, а функция описывает обмен углекислым газом между атмосферой и океаном. Изучая роль этого обмена, мы тем самым сможем установить границы применимости гипотез В. А. Костицына.

Предположим сначала, что атмосфера и гидросфера лишены жизни. Тогда система уравнений (6.1) сводится к двум уравнениям:

Функция имеет очень сложную природу. Она, конечно, зависит от соотношения парциальных давлений углекислоты в атмосфере и океане и, строго говоря, даже от парциальных давлений в приповерхностном слое контакта океана и атмосферы, на структуру которого большое влияние оказывает особенность динамических процессов в атмосфере, уровень солености и многое другое. Особенно важную роль играет температура. При высоких температурах океан отдает углекислоту в атмосферу, а при низких он ее поглощает. Таким образом, в северных

широтах углекислота атмосферы переходит в океан, а в экваториальной зоне процесс идет в обратную сторону.

Разумеется, рассмотреть процесс подобной сложности в рамках нульмерной модели невозможно, и мы вынуждены использовать ту или иную параметризацию. Прежде всего, нам придется работать со средними характеристиками. Такое допущение оправдывается тем, что выравнивание парциальных давлений углекислоты происходит очень быстро. Кроме того, мы сделаем еще несколько существенных предположений.

Поскольку количество углекислоты, растворенной в океане, практически на два порядка больше того количества, которое находится в атмосфере, то мы можем полагать океан бесконечно большим резервуаром и пренебрегать зависимостью от Переход того или иного количества углекислоты из атмосферы в океан или обратно практически не изменяет парциального давления углекислоты в океане. Таким образом, мы примем

Полагая, что концентрация углекислоты изменяется незначительно, мы можем в некоторой области аппроксимировать эту функцию линейной зависимостью

где с — некоторая постоянная. Эта аппроксимация наверняка плохо работает для весьма малых парциальных давлений углекислоты. Но она может быть использована в широком диапазоне изменения который содержит значение отвечающее современному состоянию атмосферы (порядка сотых долей процента).

Физический смысл постоянной с очевиден. Она характеризует способность океана поглощать углекислоту. Для средних температур порядка современных т. е. океан все время в среднем поглощает определенное количество углекислоты, если ее концентрация в атмосфере больше некоторого значения и находится в диапазоне изменения величины для которого справедлива параметризация (6.3).

Однако растворимость углекислоты в воде зависит также и от температуры. В пределах малых вариаций температуры постоянную с будем считать линейно зависящей от температуры атмосферы Т. Тогда зависимость выглядит так:

где Т — некоторая критическая температура. Таким образом, предполагается, что существует некоторое критическое значение средней температуры Т, и как только средняя температура атмосферы Т превосходит Т, то знак постоянной с изменяется: углекислый газ начинает поступать из океана в атмосферу.

Но температура атмосферы в свою очередь зависит от концентрации углекислоты в атмосфере, поскольку углекислый газ задерживает длинноволновую радиацию, излучаемую нагретой подстилающей поверхностью. При этом, как известно, возникает парниковый эффект. В рамках линейных аппроксимаций, которые мы используем, разумно считать, что

Тогда функция будет представлена в форме

Таким образом, первое из уравнений системы (6.2) мы можем переписать в виде

Правая часть этого уравнения — квадратный полином от (см. рис. 3)

Рис. 3.

Рис. 4.

Функция обращается в нуль при . Состояние неустойчиво: при океан превращается в резервуар, который все время увеличивает парциальное давление углекислоты в атмосфере, причем тем интенсивнее, чем больше углекислоты в атмосфере. Таким образом, при высоких концентрациях механизм взаимодействия океана и атмосферы подобен своеобразному насосу, выкачивающему углекислоту из океана,

Рассмотрим теперь ситуацию, которую создает постоянное поступление углекислоты в атмосферу, происходящее за счет антропогенных факторов сжигания углеводородов) или за счет вулканизма. Потоп углекислого газа в атмосферу обозначим через п. Уравнение (6.4) примет теперь такой вид (см. рис. 4):

Если поступление углекислоты будет незначительным, то характер процесса существенно не изменится. Изменится только критическая концентрация Но при дальнейшем увеличении выбросов углекислоты ситуация может коренным образом измениться. Если окажется, что

то, какова бы ни была начальная концентрация в атмосфере, механизм воздействия будет работать, как насос, выкачивающий из океана. Разумеется, все эти качественные соображения теряют смысл при малых парциальных давлениях углекислоты в океане.

Посмотрим теперь, какие изменения вносит в этот механизм активность живой материи. Если сохранить основную гипотезу В. А. Костицына о постоянстве всех коэффициентов, т. е. пренебречь зависимостью интенсивности фотосинтеза от парциального давления углекислоты, то уравнение (6.5) примет вид

где причем, как показал В. А. Костицын, среднее значение есть

где — период того колебательного процесса обмена биогенными элементами, который происходит между живым и растительным мирами.

Таким образом, жизнедеятельность растений и животных будет лишь интенсифицировать процесс извлечения углекислоты из атмосферы. А это означает, что активность живого вещества планеты будет приводить к уменьшение того критического значения потока антропогенного углекислого газа, при котором начинает действовать механизм насоса, выкачивающий углекислоту из океана, и возникает

необратимый процесс повышения средней температуры атмосферы.

Но изменение концентрации углекислого газа в свою очередь будет влиять на интенсивность жизнедеятельности растений и животных: снижение концентрации будет уменьшать интенсивность жизнедеятельности и наоборот. Учет этого фактора не требует существенного усложнения модели, Для этого нам достаточно считать, что коэффициент и в уравнениях (6.1) является функцией концентрации углекислого газа. В принципе, эта зависимость довольно сложна. И, для того чтобы] ее учесть достаточно строго, необходимо выписать специальное уравнение фотосинтеза, поскольку интенсивность накопления углерода в растениях зависит не только от концентрации углекислоты, но и от ряда других факторов, и, в частности, от температуры. Однако в широком диапазоне изменения концентрации углекислого газа (от нуля до 0,5%) мы можем использовать линейную аппроксимацию. Другими словами, мы будем считать, что коэффициент в уравнении (6.1) имеет вид

То же предположение естественно принять и относительно его составляющих

Таким образом, уравнение (5.6) можно переписать в следующей форме:

где некоторые постоянные.

Примем равными их средним значениям. Тогда из уравнений (7), (8) модели Костицына находим

и, окончательно,

где

Поскольку — величина положительная, то мы видим, что зависимость имеет такой же вид, что и на рис. 4. Но благодаря тому, что абсолютная величина коэффициента при у теперь стала больше, кривая для уравнений (6.7) будет идти ниже соответствующей крийой для уравнения (6.5).

Таким образом, деятельность живой материи будет интенсифицировать процесс изъятия углекислоты из атмосферы.

И в то же время она не способна полностью ликвидировать проявление механизма насоса. Однако критические выбросы углекислоты атмосферу в присутствии живого вещества должны увеличиться. В свете сказанного нетрудно предложить возможную интерпретацию последнего этапа эволюции атмосферы. Около 10 000 000 лет тому назад, в конце третичного Периода, количество углекислоты в атмосфере было, вероятно, на порядок больше, чем в настоящее время. Соответственно этому и средняя температура планеты была значительно выше и не допускала больших оледенений, хотя Антарктида уже тогда была покрыта ледяным панцирем. Но причина ее оледенения несколько иная, о ней мы еще будем говорить в следующем параграфе. Высокое содержание углекислоты поддерживалось вулканической деятельностью, но интенсивность вулканической активности, вероятно, постепенно снижалась. В самом деле, ведь она связана с радиоактивным распадом, а количество радиоактивных веществ в земной коре может, по-видимому, только убывать, причем это убывание носит экспоненциальный характер. Таким образом, мы можем предположить, что характер изменения концентрации углекислоты в четвертичном периоде можно описать уравнением (5.7), в котором поступление углекислоты определяется экспоненциальным законом

Концентрация углекислоты была в начале четвертичного периода, по-видимому, меньше критической, поскольку она начала непрерывно уменьшаться. Другими словами, изменение концентрации происходило таким образом, что точка смещалась вправо вдоль кривой I (см. рис. 5).

Рис. 5.

Вместе с уменьшением концентрации углекислоты начали происходить разнообразные события.

Прежде всего, начала уменьшаться средняя температура атмосферы. И в некоторый момент времени она достигла такого значения, когда стало возможным образование ледников — началась

эра ледниковых периодов. Одновременно начала затухать интенсивность растительной жизни: уменьшилось количество углерода атмосферы — основной пищи растений — и понизилась температура, а следовательно, и интенсивность фотосинтеза. Заметим, что вместе с этим снизилось и критическое значение концентрации углекислоты.

Вот именно этот период жизни планеты и совпадает с периодом антропогенеза. Человек, как не раз справедливо говорил М. И. Будыко, появился в период умирания биосферы, когда ее жизнедеятельность была резко ограничена уменьшением питательного материала — углекислоты атмосферы, что одновременно сделало климат значительно более суровым.

Но в XIX и особенно в XX веке картина начинает существенным образом изменяться. Человечество принимается все более интенсивно эксплуатировать ископаемый углерод, превращая его в И атмосфера переходит из состояния а в состояние b (см. рис. 5). Концентрация углекислоты в атмосфере начинает увеличиваться (точка ) движется вдоль кривой II в направлении стрелки). То, что мы в настоящее время находимся на ветви , а не на ветви de, указывает тот факт, что концентрация углекислоты в атмосфере растет медленнее, чем это можно было бы ожидать, если не учитывать поглощение ее океаном. Так что пока еще насос, выкачивающий углекислоту из океана в атмосферу, работать не начал. Но, может быть, с увеличением количества выбрасываемого он однажды начнет работать? На этот вопрос нельзя ответить, оперируя столь простой моделью. Наша задача была показать существование подобного механизма, а не исследовать явление, которое может зависеть от множества факторов, которые здесь не обсуждались.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление