Углерод в природе

      Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Химические превращения органических веществ связаны со способностью атома углерода образовывать длинные ковалентные цепи и кольца. Биогеохимический цикл углерода, естественно, очень сложный, так как он включает не только функционирование всех форм жизни на Земле, но и перенос неорганических веществ как между различными резервуарами углерода, так и внутри них. Основными резервуарами углерода являются атмосфера, континентальная биомасса, включая почвы, гидросфера с морской биотой и литосфера. В течение последних двух столетий в системе атмосфера - биосфера - гидросфера происходят изменения потоков углерода, интенсивность которых примерно на порядок величины превышает интенсивность геологических процессов переноса этого элемента. По этой причине следует ограничиться анализом взаимодействий в пределах этой системы, включая почвы.

Известно более миллиона углеродных соединений, тысячи из которых участвуют в биологических процессах. Атомы углерода могут находиться в одном из девяти возможных состояний окисления: от +IV до -IV. Наиболее распространённое явление - это полное окисление, т.е. +IV, примерами таких соединений могут служить   и  . Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме ( ), а в литосфере - в виде минералов. Примером состояния окисления +II является малая газовая составляющая атмосферы  , которая довольно быстро окисляется до  .Элементарный угрерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля. Ассимиляция углерода в процессе фотосинтеза приводит к образованию восстановленного углерода, который присутствует в биоте, мёртвом органическом веществе почвы, в верхних слоях осадочных пород в виде угля, нефти и газа, захоронённых на больших глубинах, и в литосфере - в виде рассеянного недоокисленного углерода. Некоторые газообразные соединения, содержащие недоокисленный углерод  , в частности метан, поступают в атмосферу при восстановлении веществ, происходящем в анаэробных процессах. Хотя при бактериальном разложении образуется несколько различных газообразных соединений, они быстро окисляются, и можно считать, что в систему поступает  . Исключением является метан, поскольку он также влияет на парниковый эффект. В океанах содержится значительное количество растворённых соединений органического углерода, процессы окисления которых до   известны ещё недостаточно хорошо.

В природе известно семь изотопов углерода, из которых существенную роль играют три. Два из них -   и   - являются стабильными, а один -   - радиоактивным с периодом полураспала 5730 лет. Необходимость изучения различных изотопов углерода обусловлена тем, что скорости переноса соединений углерода и условия равновесия в химических реакциях зависят от того, какие изотопы углерода содержат эти соединения. По этой причине в природе наблюдается различное распределение стабильных изотопов углерода. Распределение же изотопа  , с одной стороны, зависит от его образования в ядерных реакциях с участием нейтронов и атомов азота в атмосфере, а с другой - от радиоактивного распада.

Тщательные измерения содержания атмосферного   были начаты в 1957 году Киллингом в обсерватории Мауна-Лоа. Регулярные измерения содержания атмосферного   проводятся также на ряде других станций. Из анализа наблюдений можно заключить, что годовой ход концентрации   обусловлен в основном сезонными изменениями цикла фотосинтеза и деструкции растений на суше; на него также влияет, хотя и меньшей степени, годовой ход температуры поверхности океана, от которого зависит растворимость   в морской воде. Третьим, и , вероятно, наименее важным фактором является годовой ход интенсивности фотосинтеза в океане. Среднее за каждый данный год содержание   в атмосфере несколько выше в северном полушарии, поскольку источники антропогенного поступления   расположены преимущественно в северном полушарии. Кроме того, наблюдаются небольшие межгодовые изменения содержания  , которые, вероятно, определяются особенностями общей циркуляции атмосферы. Из имеющихся данных по изменению концентрации   в атмосфере основное значение имеют данные о наблюдаемом в течение последних 25 лет регулярном росте содержания атмосферного  . Более ранние измерения содержания атмосферного углекислого газа (начиная с середины прошлого века) были, как правило, недостаточно полны. Образцы воздуха отбирались без необходимой тщательности и не производилась оценка погрешности результатов. С помощью анализа состава пузырьков воздуха из ледниковых кернов стало возможным получить данные для периода с 1750 по 1960 год. Было также выявлено, что определённые путём анализа воздушных включений ледников значения концентраций атмосферного   для 50-х годов хорошо согласуются с данными обсерватории Мауна-Лоа. Концентрация   в течение 1750-1800 годов оказалась близкой к значению 280 млн , после чего она стала медленно расти и к 1984 году составляла 343 1 млн .

Содержание изотопа   выражается отклонением ( ) ( ) отношения   от общепринятого стандарта. Первые измерения содержания изотопа   в атмосфере были проведены Килингом в 1956 году и повторены им же в 1978 году. Значение   для атмосферного   в 1956 году было равно 7 ,  а в 1978 составляло -7,65 . Недавно были опубликованы также данные измерений   в углекислом газе воздушных включений в ледниках. В среднем оценки уменьшения   в атмосферном   в течение последних 200 лет составляют 1,0-1,5 . Наблюдаемые изменения содержания   вызваны главным образом поступлением   в атмосферу с меньшим значением   при вырубке лесов, изменении характера землепользования и сжигания ископаемого топлива.

Количество изотопа   на Земле зависит от баланса между образованием   под воздействием космического излучения и его радиоактивным распадом. По-видимому, до начала сельскохозяйственной и промышленной революции распределение изотопа   в различных резервуарах углерода сохранялось примерно неизменным. До начала заметных изменений, вызванных выбросами   при испытаниях ядерного оружия, с начала прошлого века до середины текущего происходило уменьшение содержания  . Оно было главным образом вызвано выбросом   за счёт сжигания ископаемого топлива, в котором не содержится радиоактивный изотоп  . Это привело к уменьшению содержания   в атмосфере. Начиная с первых испытаний ядерного оружия в 1952 и 1954 годах наблюдались существенные изменения содержания   в атмосферном углекислом газе. Большое поступление   в атмосферу произошло в результате ядерных испытаний, проведённых США в Тихом океане в 1958 году и СССР в 1961-1962 годах. После этого выбросы были заметно ограничены. Первоначально большая часть радиоактивных продуктов переносилась в стратосферу. Поскольку время обмена между стратосферой и атмосферой составляет несколько лет, то уменьшение концентрации изотопа   в тропосфере, обусловленное взаимодействием с континентальной биотой и океанами, начиная с 1965 года происходило более медленно за счёт поступления этого изотопа из стратосферы.

Перемешивание воздуха в тропосфере происходит довольно быстро. Пассаты в средних широтах в обоих полушариях огибают Землю в среднем примерно за один месяц, вертикальное перемещение между земной поверхностью и тропопаузой (на высоте от 12 до 16 км) также происходит в течение месяца, перемешивание в направлении с севера на юг в пределах полушария происходит приблизительно за три месяца, а эффективный обмен между двумя полушариями осуществляется примерно за год. Поскольку в данной работе рассматриваются процессы, изменения которых происходят за время порядка нескольких лет, десятилетий и столетий, можно считать, что тропосфера в любой момент времени хорошо перемешана. Это предположение основано на том, что средние годовые значения концентрации   для высоких северных и высоких южных широт отличаются только на 1,5-2,0 млн . В северном полушарии концентрация   выше, чем в южном. Различие концентраций в северном и южном полушариях, вероятно, вызвано тем, что около 90% источников промышленных выбросов расположено в северном полушарии. За последние десятилетия эта разница увеличилась, поскольку потребление ископаемого топлива также возросло.

      Обмен между стратосферой и тропосферой происходит значительно медленнее, чем в тропосфере, поэтому сезонные колебания концентрации атмосферного углекислого газа выше тропопаузы быстро уменьшаются. В стратосфере рост концентрации   значительно запаздывает по сравнению с её ростом в тропосфере. Так, согласно измерениям, концентрации   на высоте 36 км примерно на 7 млн  меньше, чем на уровне тропопаузы (т.е. на высоте     15 км). Это соответствует времени перемешивания между стратосферой и тропосферой, равному 5-8 годам.

В стационарном состоянии, существовавшем в доиндустриальное время, более 90% содержащегося на Земле изотопа   находилось в морской воде и донных отложениях (содержание   в последних составляет всего несколько процентов). Существовал примерный баланс между переносом   из атмосферы в океан и радиоактивным распадом внутри океана. Средний глобальный обмен   между атмосферой и океаном можно определить путём измерения разности содержания   в углекислом газе атмосферы и растворённом   в поверхностном слое океана. Данные наблюдений за уменьшением концентрации   в атмосфере и её увеличением в поверхностных водах океана после проведения испытаний ядерного оружия дают ещё одну возможность определить скорость газообмена. Третий способ оценки скорости газообмена между атмосферой и океаном заключается в измерении отклонения от состояния равновесия между   и  , обусловленного поступлением   из океана в атмосферу. Средняя скорость газообмена   между атмосферой и океаном при концентрации   в атмосфере 300 млн , полученная на основе этих трёх способов, равна 18 5 моль/(м год). Это означает, что среднее время пребывания   в атмосфере равно 8,5 2 лет. Скорость газообмена на границе раздела между атмосферой и океаном зависит от состояния поверхности океана, от скорости ветра и волнения.

При растворении   в морской воде происходит реакция гидратации с образованием угольной кислоты  , которая в свою очередь диссоциирует на ионы  . Карбонатная система определяется суммарной концентрацией растворённого неорганического углерода ( ); полным содержанием боратов ( В); щелочным резервом (А); кислотностью (pH); парциальным давлением расворённого углекислого газа  ,  которое при условии равновесия с атмосферой равно парциальному давлению   в атмосфере. При поглощении   морской водой щёлочность остаётся неизменной, а образование и разложение органических и неорганических соединений приводит к изменению как  , так и А. Карбонатная система имеет следующие основные особенности:

1.         Растворимость   в морской воде и соответственно концентрация суммарного углерода, находящегося в равновесии с атмосферным   при заданном значении концентрации последнего, зависят от температуры.

2.         Обмен   между газовой фазой и раствором зависит от так называемого буферного фактора, который также называют фактором Ревелла.

Растворимость и буферный фактор увеличиваются при понижении температуры. Так как изменение парциального давления углекислого газа в направлении от полюса к экватору невелико, в среднем   переносится из атмосферы в океан в высоких широтах и в противоположном направлении в низких, хотя наблюдаются  отклонения от этой упрощённой картины вследствие того, что в результате апвеллинга из глубинных слоёв океана к поверхности приносятся обогащённые углекислым газом воды. Буферный фактор имеет величину порядка 10 и увеличивается с ростом значений  . Это означает, что   чувствительно к довольно малым изменениям   в воде. При сохранении равновесия в системе атмосфера - поверхностные воды океана изменение концентрации   в атмосфере примерно на 25% в течение последних 100 лет вызовет изменение содержания суммарного расворённого неорганического углерода в поверхностных водах только на 2-2,5%. Таким образом, способность океана поглощать избыточный атмосферный   в 10 раз меньше той, которую можно было бы ожидать исходя из сравнения размеров природных резервуаров углерода.

Как показали исследования, содержание суммарного неорганического углерода в океане в 1983 году более, чем в 50 раз превышало содержание   в атмосфере. Кроме того, в океане находятся значительные количества растворённого органического углерода. Вертикальное распределение   не является однородным, его концентрации в глубинных слоях океана выше, чем в поверхностных. Наблюдается также увеличение концентрации   от довольно низких значений в глубинных водах Северного Ледовитого океана к более высоким значениям в глубинных водах Атлантического океана, к ещё более высоким в Южном и Индийском океанах до максимальных В Тихом океане. Вертикальное распределение щёлочности очень похоже на распределение  , однако пределы изменений щёлочности значительно меньше и составляют примерно 30% изменений  . Интересно отметить, что поверхностные концентрации   были бы на примерно на 15% выше, если бы океаны были хорошо перемешаны, что в свою очередь означало бы, что концентрация   в атмосфере должна быть около 700 млн . Наличие вертикальных градиендов  (так же как и щёлочности) в океанах оказывает существенное влияние на концентрации атмосферного  .

Нужен реферат, сочинение, конспект? Тогда сохрани - » Углерод в природе . Готовые домашние задания!

Предыдущий реферат из данного раздела: Фотосинтез, разложение и растворение органического вещества

Следующее сочинение из данной рубрики: Человек и климат

Спасибо что посетили сайт Uznaem-kak.ru! Готовое сочинение на тему:
Углерод в природе.




загрузка...