Global warming

[eugenebo]

Давление земной атмосферы -- 10⁵ паскалей. Деля на g = 10 м/с², получаем, что над каждым квадратным метром Земли лежит 10 тонн воздуха.

Содержание углекислого газа в нём -- 0.035% по объёму. Умножая на это массу воздуха, и на отношение молекулярных масс CO₂ и воздуха (44/29), получаем, что над каждым квадратным метром содержится 5.3 килограмма CO₂, в коих сидит 5.3*12/44 = 1.45 кг углерода.

Теплота сгорания последнего -- около 25 МДж/кг. Значит, чтобы восстановить этот углерод из CO₂ до угля, требуется порядка 36 мегаджоулей энергии на квадратный метр. Растения, на самом деле, восстанавливают его не до угля, а до сахара, но разница невелика, а лазить за тонкостями окисления углеводов в справочники мне лень.

На квадратный метр Земли в полдень падает от Солнца 1360 ватт/м². Половина задерживается атмосферой. Ещё на 4 надо поделить из-за усреднения по суткам и широте. Ну и ещё на два, допустим, из-за поглощения в атмосфере под большими углами к горизонту. Итого 85 Вт/м².

КПД преобразования растениями света в сахар в полевых условиях -- около 1%. Суша составляет треть площади Земли, и треть её покрыта растениями (океанами пренебрежём, хотя они и вносят едва ли не больший вклад). Итого, в среднем квадратный метр Земли преобразует углерод в сахар с мощностью около 85*0.01*0.3*0.33 = 0.08 Вт/м².

Деля 36 МДж/м² на 0.08 Вт/м², получаем 4.5*10⁸ секунд, или 15 лет. Это -- характерное время, за которое земные растения съедают весь CO₂ в атмосфере. Ну или скорее 10% его за 10% этого времени. Причём оценка завышена; более точный подсчёт, думаю, вообще даст лишь лет пять.

Итак, время оборота CO₂ в атмосфере -- единицы лет. Между тем как атмосфера, в практически неизменном составе, существует уже миллионы лет. О чём это говорит? Правильно. О том, что углекислый газ в атмофере -- буферная компонента. И поддерживается равновесием между пожирающими его растениями и разложением органики (и вулканизмом, конечно). И это равновесие, будучи нарушено, восстанавливается по геологическим меркам времени мгновенно.

И тем не менее, последние лет 50 мы наблюдаем стабильный рост содержания CO₂ в атмосфере. Процентов так на сорок уже.

Вопрос: так почему же растительность не справляется? Не успевает? Или проблема просто в том, что мы её слишком уж быстро рубим?

Comments

[chva.livejournal.com]

> О том, что углекислый газ в атмофере -- буферная компонента. И поддерживается равновесием между пожирающими его растениями и разложением органики (и вулканизмом, конечно).

Не вполне верно. Основным буфером является отнюдь не биота континентов (в пересчете на чистый углерод там содержится по максимуму 850 гигатонн), примерно столько же во всей атмосфере, а океаносфера — почти 40 тысяч гигатонн! Разница в 50 раз, как видите.

Что касается источников и стоков — равновесие между фотосинтезом и окислением поддерживается до долей процента (степень разомкнутости цикла фотосинтез-окисление 0,01%).

Второй большой цикл — равновесие между океаносферой и атмосферой. Возможно,здесь и лежит разгадка. Температура океана незначительно повышается, что, в свою очередь, незначительно уменьшает растворимость CO2, что повышает температуру...

Суммарная антропогенная эмиссия CO2 составляет порядка 6 гигатонн в год.

[eugenebo.livejournal.com]

Интересно!

А углерод, что в океане -- он в основном в форме органики, или растворённого CO₂?

[vtolkov.livejournal.com]

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BE%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%86%D0%B8%D0%BA%D0%BB_%D1%83%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B0

Водоросли и планктон ничем по сути не отличаются от растительности континентов. Те же процессы и циклы. Растворённый CO2 - отличается. Растительность с ростом температуры увеличивает рост, как я понимаю, а растворённый CO2, как утверждает chva, наоборот.

В принципе, растительность должна увеличивать рост и массу при увеличении углерода в атмосфере и при росте температуры, увеличивая скорость его переработки, выравнивая цикл. Если, конечно, мы не начинаем рубить быстрее.

[chva.livejournal.com]

В основном в неорганическом виде (растворенный CO2, донные отложения). Порядка 2% в виде так называемого водного гумуса — диспергированной и растворенной органики с концентрацией слишком низкой для усвоения. Порядок цифр такой (в пересчете на углерод) — пресные воды 400—500 Гт, соленые воды (неорганика) — 40000 Гт, солёные воды (органика) 1000 Гт, биота океанов — 1,5 Гт, биота пресных вод — какие-то совсем незначительные циклы.

[biglebowsky.livejournal.com]

chva совершенно правильно упомянул в комментарии, что, с хорошей точностью, растения НЕ убирают CO2 из атмосферы.
Подробно это объяснено у Еськова в "Истории Земли".

Речь о следующем.
В простейшей схеме растения сперва забирают СО2, но потом сгнивают/поедаются животными, т.е. окисляются. Соответсвенно, весь этот CO2 возвращается обратно. Чтобы разорвать цикл, необходимо, чтобы биомасса где-то накапливалась не окислившись. Например, в виде отложений на дне болот. То есть, для понижения уровня СО2 нам нужно накапливать торф, уголь, нефть etc.

Кстати, если говорить о балансе кислорода/углекислого газа, то городская свалка, с похороненными на геологические времена под слоем земли полиэтиленовыми пакетами, это - очень экологично. Тот же пакет, выполненный из биоразрушаемого пластика, и, в результате, "съеденный" бактериями, это - величайший облом.

[vtolkov.livejournal.com]

Как-то это странно. Слишком мало углекислоты в атмосфере для такого сценария. Единицы процентов - явно буферное количество, то что выделилось и не успело быть связано. Тогда можно бы было предположить, что есть хорошая зависимость объёма биомассы от количества углекислоты, по крайнёй мере была такая зависимость.

[biglebowsky.livejournal.com]

Я могу и ошибаться.

В оригинале, у Еськова, все эти рассуждения прописаны применительно к атмосферному кислороду.
Углекислота принципиально отличается тем, что может храниться в виде карбонатов. Рассмотрим на примере известняка/мела/мрамора.

CaO + H2O = Ca(OH)2
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O

Так что, в моих рассуждениях, действительно, есть некая "дырка" :-)

[biglebowsky.livejournal.com]

Re: Или проблема просто в том, что мы её слишком уж быстро рубим?

Как раз выращивать растения, а потом их вырубать, это - способ понизить концентрацию CO2. Надо только правильно складировать вырубленное, чтобы не окислилилось.

[eugenebo.livejournal.com]

...то есть, например, строить из них дома :)

Впрочем, если следовать этой идее, то, наверное, имеет всё же смысл высаживать секвойи? Они-то обеспечат связывание углерода не на одну тысячу лет.

[biglebowsky.livejournal.com]

Нет, здесь дело не в продолжительности жизни растения.
Хранить углерод в связанном виде в живых растениях вполне можно, но критерием будет биомасса на м^2 земной поверхности.

То есть, можно вырастить на м^2 газонную травку, а можно - заросли бамбука. Во втором случае масса растительности будет много выше. Даже если жизненный цикл бамбука будет 1 сутки (за день вырастает до 6-метровой высоты, а за ночь сгнивает), это не повлияет на результат.

[vepr-y.livejournal.com]

>> прочем, если следовать этой идее, то, наверное, имеет всё же смысл высаживать секвойи? Они-то обеспечат связывание углерода не на одну тысячу лет.

И красивые :-)

[phobos-il.livejournal.com]

Разница между углеродом и сахаром с точки зрения окисления - примерно 25%. По чистой стехиометрии можно прикинуть, что если в CO2 все 4 связи задействованы на кислород, то в сахаре - одна. То есть восстановление происходит на 75%.

[neebitemnemozg.livejournal.com]

ваша неправда, разница аккурат таки 100% — в CO₂ степень кисления углерода +4, а в сахарах - 0, и количество связей с кислородом тут совсем ни при чем.

[phobos-il.livejournal.com]

Почему связь углерода с кислородом не должна считаться частичным окислением? Спирт соответствует степени окисления +1, кетон/альдегид - +2, Кислота/сложный эфир -+3, СО2 - +4. Нулевую степень окисления имеют углеводороды.

[neebitemnemozg.livejournal.com]

Потому, что термохимии глубоко по барабану какова структура соединения, углеводы имеют стехиометрию C(H₂O) и статистическую степень окисления углерода 0 (или на примере глюкозы: +1, 0, 0, 0, 0, -1 если по атомам смотреть, начиная с первого).
Альфа углерод в спиртах, если уж на то пошло, может иметь степень окисления от -2 до +1; карбонил от 0 до +2; карбоксил от +2 до +3; СО₂ и карбонаты +4.
А вот в углеводородах, голубчик, она от -4 в метане до -2 в полиэтилене варьируется.

[phobos-il.livejournal.com]

Это семантика. Если кому-то охота слегка поляризованную связь С-Н считать как С(-1), это его сомнительное право. Но замена протона на углеродный радикал в химии не считается окислением и изменением степени окисления с -1 на 0.
С таким подходом степень окисления кислорода в спирте (и сахаре) тоже надо указывать еще не как -2, поскольку он еще не H2O, a H-O-C.
Разницу в строении учитывать также правильно и удобно, поскольку бывают сахара с одной отсутствующей, окисленной или замененной гидроксигруппой, которые в брутто-формулу не вписываются.

[neebitemnemozg.livejournal.com]

По современным IUPAC-овским правилам не семантика, а требование... по которым же степень окисления углерода в метаноле таки -2 indeed.
"бывают сахара с одной отсутствующей, окисленной или замененной гидроксигруппой" — а кто спорит, бывают, но тааак редко...... :)

[eugenebo.livejournal.com]

А мне интересно, что Вы пили перед комментированием? Хотя нет, неинтересно.

Считайте повторно. Можете на калькуляторе, если в уме плохо получается.

(10000/100)*(35/1000)*(44/29) = 5.3.

[neebitemnemozg.livejournal.com]

ой, а можно полюбопытствовать, образовательных целей ради, откуда у Вас сотенка в первой дроби материализоваться изволила?

[eugenebo.livejournal.com]

Потому что 0.035 процента.