Јаглерод диоксид во Земјината атмосфера

Јаглерод диоксидот во Земјината атмосфера е компонента со незначителна концентрација во современата Земјината атмосфера, концентрацијата на јаглерод диоксид (CO₂) во сувиот воздух е 0,03—0,045 об. % (300—450 ппм). Јаглерод диоксидот ја формирал основата на атмосферата на младата Земја, заедно со азот и водена пареа. Процентот на јаглерод диоксид се намалува од појавата на океаните и почетокот на животот. Од средината на 19 век, има постојан пораст на количината на овој гас во атмосферата од ноември 2015 година, неговата просечна месечна концентрација постојано надминувала 400 ппм^[1], а во 2022 година било за еден и пол пати повисоко од прединдустриското ниво^[2].

Улогата на јаглерод диоксидот во животот на биосферата е првенствено да ја поддржува фотосинтезата, која ја вршат растенијата. Како стакленички гас, јаглерод диоксидот во воздухот влијае на размената на топлина на планетата со околниот простор, ефикасно блокирајќи ја повторно зрачената топлина на голем број честоти и на тој начин учествува во обликувањето на климата на планетата^[3].

Поради активната употреба на фосилните горива од страна на човештвото како гориво, концентрацијата на овој гас во атмосферата рапидно се зголемува. Покрај тоа, според IPCC на ОН, до 20 % од антропогените емисии на CO₂ се резултат на уништувањето на шумите ^[4]. За прв пат, антропогеното влијание врз концентрацијата на јаглерод диоксид е забележано од средината на 19 век. Оттогаш, нејзината стапка на раст се зголемувала и во 2010-тите се случило да достигне со стапка од 2—3 ппм/годишно^[5] или 0,5—0,7 % за една година. Според поединечни студии, сегашното ниво на CO₂ во атмосферата е највисоко во последните 800 илјади години и, можеби, во последните 14^[6] или 20 милиони години^[7][8].

Растенијата го претвораат добиениот јаглерод диоксид во јаглехидрати за време на фотосинтезата, која се изведува преку пигментот хлорофил, кој ја користи енергијата на сончевото зрачење. Добиениот гас, кислородот, се ослободува во Земјината атмосферата и се користи за дишење од хетеротрофни организми и други растенија, со што се формира јаглеродниот циклус.Главниот извор на ефектот на стаклена градина во атмосферата на Земјата е гасната вода присутна во воздухот во форма на водена пареа^[9]. Без стакленички гасови во атмосферата и соларна константа од 1368, просечната температура на површината требало да биде -19,5 °C. Всушност, просечната температура на површината на Земјата е +14 °C, односно ефектот на стаклена градина доведува до зголемување од 34 °C.^[10] При релативно ниски концентрации во воздухот, CO2 е вториот најважен стакленички гас во атмосферата бидејќи впива и повторно емитува инфрацрвено зрачење на различни бранови должини, вклучувајќи бранова должина од 4,26 микрони (режим на вибрации - поради асиметрично истегнување на молекулата) и 14,99 микрометри (вибрации на свиткување на молекулата). Овој процес го елиминира или намалува зрачењето од Земјата во вселената на овие бранови должини, што резултира со ефект на стаклена градина.

Покрај инфрацрвените својства на јаглерод диоксидот, важен е и фактот дека тој е потежок од воздухот. Бидејќи просечната релативна моларна маса на воздух е 28,98 г/мол, а моларната маса на CO₂ е 44,01 г/мол, зголемувањето на процентот на јаглерод диоксид доведува до зголемување на густината на воздухот и, соодветно, до промена на неговиот профил на притисок во зависност од висината. Поради физичката природа на ефектот на стаклена градина, ваквата промена на својствата на атмосферата доведува до зголемување на просечната температура на површината. Бидејќи со зголемување на процентот на овој гас во атмосферата, неговата поголема моларна маса доведува до зголемување на густината и притисокот, тогаш на истата температура, зголемувањето на концентрацијата на CO₂ доведува до зголемување на капацитетот за влага на воздухот и до зголемување на ефектот на стаклена градина поради поголема количина на вода во атмосферата ^[11] . Зголемувањето на процентот на вода во воздухот за да се постигне исто ниво на релативна влажност - поради ниската моларна маса на вода ( 18 г/мол ) - ја намалува густината на воздухот, што се компензира со зголемувањето на густината предизвикано од присуството на зголемено ниво на јаглерод диоксид во атмосферата.

Комбинацијата на овие фактори генерално води до фактот дека зголемувањето на концентрацијата од прединдустриското ниво 280 мд до современите 392 мд (414,7 мд просек за 2021 година^[12] ) е еквивалентно на дополнително ослободување од 1,8 Вт на квадрат метар од површината на планетата. Она што го издвојува јаглеродниот диоксид од другите гасови како стакленички гас е неговото долгорочно влијание врз климата, кое во голема мера останува константно до илјада години откако ќе престане емисијата што ја предизвикало. Другите стакленички гасови, како што се метанот и азотен субоксид, не остануваат слободни во атмосферата толку долго. .

Теоријата на глобалното затоплување не може да го објасни фактот дека содржината на јаглерод диоксид некогаш била многу пати поголема (особено пред појавата на кислородот), но животот се појавил и процветал, сценариото на Венезија не се реализирало. Ова укажува на присуство на негативни повратни информации. Таков ефект на „ладење“ може да бидат облаците кои го рефлектираат сончевото зрачење и настануваат со уште поголема содржина на јаглерод диоксид отколку што е сега случајот. И двата феномени, затоплувањето и ладењето, на тој начин претставуваат стабилизирачки механизми за условите за живот на Земјата.

Природните извори на јаглерод диоксид во атмосферата вклучуваат вулкански ерупции, согорување на органска материја во воздухот и дишење на претставници на животинскиот свет (аеробни организми). Јаглерод диоксид се произведува и од некои микроорганизми како резултат на процесот на ферментација, клеточното дишење и во процесот на распаѓање на органските остатоци во воздухот. Антропогените извори на емисии на CO₂ во атмосферата вклучуваат: согорување на фосилни и нефосилни енергетски ресурси за производство на топлина, производство на електрична енергија и транспорт на луѓе и стоки. Некои видови индустриски активности доведуваат до значителни емисии на CO₂, како што е производството на цемент и отстранувањето на придружните нафтени гасови со нивно палење.

Главниот извор на ефектот на стаклена градина во Земјината атмосфера е гасната вода присутна во воздухот во форма на водена пареа^[13]. Во отсуство на стакленички гасови во атмосферата и соларна константа еднаква на 1368, просечната температура на површината требало да биде −19,5 °C. Всушност, просечната температура на површината на Земјата е +14 °C, односно ефектот на стаклена градина доведува до зголемување од 34 °C^[14]. При релативно ниски концентрации во воздухот, CO2 е вториот најважен стакленички гас во атмосферата бидејќи впива и повторно емитува инфрацрвено зрачење на различни бранови должини, вклучувајќи бранова должина од 4,26 микрони (режим на вибрации - поради асиметрично истегнување на молекулата) и 14,99 µm (вибрации на свиткување на молекулата). Овој процес го елиминира или намалува зрачењето од Земјата во вселената на овие бранови должини, што резултира со ефект на стаклена градина. Бидејќи на главните честоти на впивање, атмосферскиот CO2 целосно ја исклучува повторната емисија во вселената, сегашното зголемување на концентрацијата влијае само во опсезите на впивање, каде што неговото сегашно влијание врз спектарот на реемисии на Земјата води само до делумно впивање. Општо земено, присуството на јаглерод диоксид и неговиот ефект на стаклена градина во атмосферата доведува до зголемување на температурата на површината за количина од редот од +8±1 °C, а влажноста на воздухот е одговорна за остатокот од ефектот на стаклена градина со малку влијание од други гасови^[15].

Повеќето извори на емисија _{на CO2} според податоците од 1998 на РФ CO2 се природни. Распаднатиот органски материјал, како што се мртвите дрвја и тревата, ослободуваат 220 млрд тони јаглерод диоксид секоја година, а океаните на Земјата ослободуваат 330 млрд. Пожарите, кои се јавуваат, вклучително и од природни причини, поради самиот процес на согорување во атмосферата и во случај на горење шуми поради уништување на шумите, доведуваат до емисии кои се споредливи со антропогените. Пример, индонезиските шумски и тресетски пожари Јужноазиски смог од 1997 година [пожари 1997 година] ослободиле 13-40 % од просечните годишни емисии на CO₂ од согорувањето на фосилните горива. Вулканската активност била главниот извор на јаглерод диоксид за време на младата Земја во современиот геолошки период, вулканските емисии се околу 130–230 млн тони годишно или помалку 1 % ;1 % од антропогените^[16] .

Во нормални услови, овие природни извори се во рамнотежа со физичките и биолошките процеси кои го отстрануваат јаглеродниот диоксид од атмосферата - дел од CO₂ се раствора во морската вода, а дел се отстранува од воздухот преку фотосинтеза. Бидејќи овој процес обично впива 5,5 ×10¹¹ тони јаглерод диоксид годишно, а неговата вкупна маса во земјината атмосфера е 3,03 ×10¹² т, тогаш во просек целиот атмосферски CO₂ учествува во јаглеродниот циклус на секои шест години. Поради присуството на антропогени емисии, впивањето на CO₂ од биосферата ја надминала нејзината емисија за ≈ 17 млрд тони во средината на 2000-тите, стапката на неговото впивање има постојана тенденција да се зголемува заедно со зголемувањето на атмосферската концентрација^[17].

Со доаѓањето на индустриската револуција во средината на 19 век, имало прогресивно зголемување на антропогените емисии на јаглерод диоксид во атмосферата, што довело до нерамнотежа во циклусот на јаглерод и зголемување на концентрациите на CO₂. Во моментов, околу 57 % од јаглеродниот диоксид произведен од човештвото се отстранува од атмосферата од растенијата и океаните. Односот на зголемувањето на количеството на CO₂ во атмосферата кон вкупното ослободен CO₂ е константна вредност од околу 45 % и претрпува краткорочни флуктуац��и и флуктуации во период од пет години^[17].

Согорувањето на фосилните горива, како што се јагленот, нафтата и природниот гас, е главната причина за антропогените емисии на CO₂. Уништувањето на шумите е втора водечка причина. Во 2008 година, согорувањето на фосилните горива ослободило 8,67 милјарди тони јаглерод во атмосферата ( 31,8 милјарди тони _CO2 ), додека годишните емисии на јаглерод беа 6,14 милијарди тони во 1990 година^[18]. Уништувањето на шумите заради користење на земјиштето резултирало со зголемување на атмосферскиот јаглерод диоксид што е еквивалентно на согорувањето на 1,2 милјарди тони јаглен во 2008 година (1,64 милјарди тони во 1990 година) ^[19]. Кумулативното зголемување во текот на 18 години е 3 % од годишниот природен циклус на CO₂, што е доволно да го исфрли системот од рамнотежа и да предизвика брзо зголемување на нивото на CO₂ ^[20]. Како резултат на тоа, јаглеродниот диоксид постепено се акумулирал во атмосферата, а во 2009 година неговата концентрација била 39 % повисока од прединдустриските вредности^[20].

Така, и покрај фактот што (од 2011 година) вкупните антропогени емисии на CO₂ не надминуваат 8 % од природниот годишен циклус, постои зголемување на концентрацијата што се должи не само на нивото на антропогени емисии, туку и на постојаното зголемување на ниво на емисии со текот на времето.

Други фактори кои ја зголемуваат содржината на CO₂ во атмосферата вклучуваат зголемување на просечната температура во 20 век, што требало да се одрази на забрзување на распаѓањето на органските остатоци и, поради затоплувањето на океаните, во намалување на вкупната количина на јаглерод диоксид растворен во вода. Зголемувањето на температурата се должело и на исклучително високата сончева активност во овој период и во 19 век (види, на пример, Сончеба бура од, 1859 година) ^[21].

За време на транзицијата од ладна во топла клима во последните милион години, природната промена во атмосферската концентрација на CO₂ останала во рамките на 100 мд односно вкупниот пораст на неговата содржина не надминала 40 % ^[22]. Во исто време, на пример, просечната температура на планетата за време на периодот на климатски оптимум 9000—5000 н. е. била приближно 1-2 °C повисока од денешната, а поради поизразениот ефект на стаклена градина во топла клима, просечната годишна температурна аномалија во субарктичките географски широчини достигнала и до 9 °C ^[23].

Современиот вулканизам во просек води до ослободување на 2×10⁸ тонн CO₂ годишно, што е помалку од 1 % од антропогените емисии^[16]. Главната разлика помеѓу овој тип на емисии и антропогените е тоа што кога фосилните горива се согоруваат во воздухот, молекулите на кислород се заменуваат со молекули на јаглерод диоксид, односно вкупното зголемување на масата на атмосферата одговара на масата на изгорениот јаглерод, додека при вулкански ерупции масата на атмосферата се зголемува за количина еднаква на масата на ослободениот гас.

Јаглерод диоксидот е втор најзастапен гас (по водената пареа) ослободен од вулканите. Поголемиот дел од гасот ослободен од подводните вулкани завршува растворен во вода^[24]. Изотопскиот состав на ослободениот јаглерод диоксид приближно одговара на изотопскиот состав на атмосферскиот CO₂ добиен како резултат на согорувањето на фосилните енергетски ресурси, што го отежнува прецизното одредување на волуменот на вулканските емисии на CO₂ ^[25].

Големите вулкански ерупции можат да испуштат значителни количини на јаглерод диоксид во атмосферата, но таквите ерупции се случуваат ретко - неколку настани на век - и во просек немаат забележителен ефект врз нивото на емисиите на овој гас во атмосферата. На пример, за време на ерупцијата на вулканот Лаки во 1783 година, биле ослободени приближно 90 милиони тони CO₂, за време на ерупцијата на Тамбора во 1815 година, околу 48 милиони тони . Некои студии укажуваат на малку поголемо ослободување на јаглерод диоксид за време на ерупциите споменати погоре (Lucky 1783 ≈ 6,5×10⁸ т ), но релативната реткост на таквите настани го прави нивниот ефект врз содржината на јаглерод диоксид незначителен во овој случај ^[25].

Последната ерупција показател на вулканска избувност била ерупцијата на планината Пинатубо во 1991 година. Нејзиниот главен ефект врз содржината на јаглерод диоксид во атмосферата било ослободување на аеросоли во стратосферата и, како резултат на тоа, нарушување на рамнотежата на јаглеродниот циклус поради намалување од 0,5 °C на просечната температура на планетата поради анти-стаклена градина ефект . Зголемувањето на амплитудата на сезонските флуктуации на заплетот на Килинг во овој временски период укажува на мало подобрување на условите за фотосинтеза од растенијата во раните 1990-ти. Последното се објаснува со ефектот на расејувањето на сончевото зрачење врз стратосферските аеросоли честички, што довело до зголемување на потрошувачката на атмосферски CO₂ од вегетацијата^[26].

Во современиот временски период, концентрацијата на јаглерод диоксид одржува стабилно зголемување во 2009 година, просечната концентрација на CO₂ во земјината атмосфера беше 0,0387 % или 387 мд, во септември 2016 година надмина 400 ппм ^[27][28].

Заедно со годишното зголемување од 2-3 ппм/годишно^[5], се забележува периодична промена на концентрацијата со амплитуда 3-9 ппм во текот на годината, што го следи развојот на сезоната вегетацискиот период на северната полутопка. Бидејќи сите поголеми континенти се наоѓаат во северниот дел на планетата, влијанието на вегетацијата на северната полутопка доминира во годишниот циклус на концентрации на CO₂. Нивото достигнува максимум во мај и минимум во октомври, кога количината на биомаса што врши фотосинтеза е најголема^[29].

Во пролетта 2016 година, австралиските научници откриле дека концентрацијата на јаглерод диоксид во атмосферата во близина на островот Тасманија достигнал 400 ппм ^[30].

Во 2017 година, Светската метеоролошка организација објавила дека концентрацијата на јаглерод диоксид во Земјината атмосфера го достигнала највисокото ниво за 800 илјади: 403,3 ппм ^[31].

Според Метеоролошката опсерваторија на Мауна Лоа, во 2021 година била забележана нова просечна годишна максимална концентрација на CO₂ во атмосферата 417,7 ппм^[12], а во мај 2022 година - месечен просек од 420,99 ппм^[2].

Најсигурен начин за мерење на концентрациите на јаглерод диоксид во атмосферата во временскиот период пред да започнат директните мерења е да се одреди количеството на него во воздушните меури затворени во ледените јадра од континенталните ледници на Антарктикот и Гренланд. Најшироко користени за овие цели се јадрата на Антарктикот, според кои нивото на атмосферски CO₂ останало во опсег од 260-284 ппм пред почетокот на индустриската револуција во средината на 19 век и 10 илјади години пред таа точка до тоа време. Некои студии базирани на фосилното зеленило укажуваат на многу поголеми промени во нивоата на CO₂ во овој период (~ 300 мд), но тие се критикувани^[32][33]. Исто така, јадрата земени во Гренланд укажуваат на поголем степен на промена во концентрациите на јаглерод диоксид во споредба со резултатите добиени на Антарктикот. Но, во исто време, истражувачите на јадрата на Гренланд сугерираат дека поголемата варијабилност овде се должи на локалните седименти на калциум карбонат^[34]. Во случај на ниски нивоа на прашина во примероците на мраз земени од Гренланд, податоците за нивоата на CO₂ за време на холоценот се во добра согласност со податоците од Антарктикот.

Најдолгиот период на мерења на нивоата на CO₂ врз основа на студиите на леденото јадро е можен на Источен Антарктик, каде мразот датира и до 800 илјади години, и што покажува дека концентрациите на јаглерод диоксид варирале помеѓу 180-210 ппм за време на леденото време и се зголемиле на 280- 300 ппм за време на потоплите периоди^[7][35].

Во текот на подолги временски периоди, атмосферскиот CO₂ се одредува со одредување на рамнотежата на геохемиските процеси, вклучувајќи ја количината на органски материјал во седиментите, атмосферските влијанија на силикатни карпи и вулканизмот во текот на проучуваниот период. Во текот на десетици милиони години, каква било нерамнотежа во циклусот на јаглеродот резултирало со последователно намалување на концентрацијата на CO₂. Бидејќи брзината на овие процеси е екстремно бавна, корелацијата на емисиите на јаглерод диоксид со последователните промени во нивоата на јаглерод диоксид во следните стотици години е предизвик.

Различни методи на индиректни мерења (клима) исто така се користат за проучување на минатите концентрации на јаглерод диоксид. Тие вклучуваат одредување на односот на изотопи на бор и јаглерод во некои типови на морски седиментни карпи и бројот на стоми во зеленилото од фосилните растенија. Иако овие мерења се помалку прецизни од податоците од јадрото на мразот, тие ни овозможуваат да одредиме многу високи концентрации на CO₂ во минатото, кои биле 3000 ппм (0,3 %) пред 150-200 милиони години и пред 400-600 милиони години - пред 6000 ппм (0,6̤%).

Падот на нивото на CO₂ во атмосферата престанал на почетокот на Перм, но продолжил од пред околу 60 милиони години. На преминот на еоценот и олигоценот (пред 34 милиони години - почетокот на формирањето на современата ледена покривка на Антарктикот), количината на CO₂ била 760 ппм. Врз основа на геохемиските податоци, било откриено дека нивото на јаглерод диоксид во атмосферата го достигнало прединдустриското ниво пред 20 милиони години и изнесувало 300 ппм.

Во океаните на земјата има сто пати повеќе јаглерод диоксид отколку во атмосферата - 36 ×10¹² тони во однос на јаглеродот. Јаглеродот растворен во вода се содржи во форма на бикарбонат и карбонатни јони. Хидрокарбонатите се произведуваат со реакции помеѓу карпите, водата и јаглерод. Еден пример таков пример на распаѓањето на калциум карбонатː

${\displaystyle {\ce {CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca^{2+}\ +\ 2HCO3-}}}$ .

Ваквите реакции ги измазнуваат флуктуациите во атмосферските концентрации на CO₂. Бидејќи десната страна на реакцијата е кисела, додавањето CO₂ на левата страна ја намалува pH вредноста, предизвикувајќи закиселување на океаните. Другите реакции помеѓу јаглеродниот диоксид и некарбонатните карпи, исто така, произведуваат јаглеродна киселина и нејзините јони.

Овој процес е повратлив, што резултира со формирање на варовник и други карбонатни карпи, ослободувајќи половина од бикарбонатите како CO₂ . Во текот на стотици милиони години, овој процес резултирал со карбонатни карпи кои го одвојуваат најголемиот дел од оригиналниот јаглерод диоксид од земјината атмосферата на Земјата. На крајот, најголемиот дел од CO₂ што произлегува од антропогените емисии ќе биде растворен во океанот, но стапката со која овој процес ќе се случи во иднина останува неизвесна ^[36].

Според методот на фиксација на јаглерод диоксид, огромното мнозинство на растенија припаѓаат на видовите на фотосинтеза C3 и C4. Поголемиот дел од познатите растителни видови припаѓаат на групата C3 (околу 95 % од растителната биомаса на Земјата се C3 растенија). Групата Ц4 вклучува некои тревни растенија, вклучувајќи ги важните земјоделски култури: пченка, шеќерна трска и просо.

Механизмот за фиксација на јаглерод C4 еволуирал како адаптација на условите на ниски концентрации на CO₂ во атмосферата. Речиси кај сите растителни видови, зголемувањето на концентрацијата на CO₂ во воздухот доведува до зголемена фотосинтеза и забрзан раст.

Во растенијата C3, кривата почнува да се зголемува при концентрации на CO₂ од повеќе од 1000 ппм.

Сепак, кај растенијата C4, зголемувањето на брзината на фотосинтеза запира веќе при концентрација на CO₂ од 400 ппм. Затоа, нејзината сегашна концентрација, моментално повеќе од 400 молекули на милион (ппм), веќе го достигнала оптимумот за фотосинтеза во растенијата C4, но сепак е многу далеку од оптимумот за C3 растенијата.

Според експерименталните податоци, удвојувањето на сегашната концентрација на CO₂ (во просек) ќе го забрза растот на биомасата во растенијата C3 за 41 %, а за C4 - за 22 %.

Додавањето 300 ппм CO₂ во амбиенталниот воздух ќе ја зголеми продуктивноста на растенијата C3 за 49 % и за C4 - за 20 %, за овошни дрвја и дињи, лубеници - за 24 %, мешункастите - за 44 %, коренов зеленчук - за 48 %, зеленчук - за 37 %.

Од 1971 до 1990 година, наспроти позадината на зголемувањето на концентрациите на CO₂ за 9 %, имало зголемување на содржината на биомаса во европските шуми за 25-30%. ≠

• Јаглерод диоксид
• Геохемиски јаглероден циклус
• Глобално затоплување
• Промена на климата
• Протоколот од Кјото
• Фосилно гориво

• Јаглерод диоксид во земјината атмосфера, Б. М. Смирнов, Заеднички институт за високи температури РАС, 126 (11) (1978), Москва