Источники углекислого газа

Клубни

Роль в парниковом эффекте

Источники углекислого газа
Источники углекислого газа

Спектр земной

атмосферы

с полосами поглощения

CO2

.

Отличительной особенностью парниковых свойств двуокиси углерода по сравнению с другими газами является её долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей её эмиссии остается в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, существуют в свободном состоянии в атмосфере на протяжении более короткого времени.[5][6][7]

Несмотря на относительно небольшую концентрацию в воздухе, CO2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим — асимметричное растяжение молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания).

Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту.[2] Текущее изменение концентрации атмосферного CO2 сказывается в полосах поглощения, где его современное влияние на спектр переизлучения Земли приводит только к частичному поглощению.

Кроме парниковых свойств двуокиси углерода, также имеет значение тот факт, что она является более тяжелым газом по сравнению с воздухом. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO2 — 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности.[8]

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является газообразнаявода или влажность воздуха.[9] При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной 1368 Вт⁄м2, средняя температура на поверхности должна составлять -15°C.[9] В действительности, средняя температура поверхности Земли составляет 15°C, то есть парниковый эффект приводит к её увеличению на 30°C, из которых 20,6°C объясняется наличием водяного пара в воздухе, наличие в нем углекислого газа считается ответственным за повышение температуры на 7,2°C.

[9] Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты.[13]

Источники углекислого газа

Источники углекислого газа
Источники углекислого газа

Псевдоцветное (англ.)русск.

изображение загрязнения воздуха

дымом

и

озоном

в результате пожаров в

Индонезии

,

1997 г

.

Источники углекислого газа
Источники углекислого газа

Летние

пожары 2010 г

в

России

из космоса.

К естественным источникам двуокиси углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгораниеорганических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе.

К антропогенным источникам эмиссии CO2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO2 приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путем их сжигания в факелах.

Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.

Большинство источников эмиссии CO2 являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мертвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению 220 млрд тонн двуокиси углерода, земные океаны выделяют 330 млрд.[13] В ходе индонезийских лесных и торфяных пожаров (англ.)русск.1997 года было выделено 13–40 % от среднегодовой эмиссии CO2, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив.

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими двуокись углерода из атмосферы — часть CO2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5·1011 т диоксида углерода, а его общая масса в земной атмосфере составляет 3,03 ·1012 т, то в среднем весь атмосферный CO2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет.

Источники углекислого газа
Источники углекислого газа

Эмиссия углерода в атмосферу в результате пром. активности в 1800 – 2004 гг.

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов двуокиси углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO2. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами.

Предлагаем ознакомиться  Голуби: описание птицы, места обитания, естественные враги

Источники углекислого газа

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO2, вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн.

[20] Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферной двуокиси углерода эквивалентную сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990).[20] Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO2, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO2.

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

К другим факторам, увеличивающим содержание CO2 в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, Событие Кэррингтона, 1859 г).[23]

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO2 оставалось в пределах 100 ppm, то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило 40 %.[24] При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума 9000÷5000 лет до н.э.

Влияние вулканизма

Источники углекислого газа
Источники углекислого газа

Извержение

вулкана

Пинатубо

в

1991

.

Cовременный вулканизм в среднем приводит к выделению 2·108 тонн CO2 в год, что составляет величину менее 1 % от антропогенной эмиссии.[16] Основное отличие этого вида эмиссии от антропогенной состоит в том, что при сжигании ископаемых энергоносителей в воздухе происходит замещение молекул кислорода молекулами углекислого газа, то есть суммарное увеличение массы атмосферы соответствует массе сожженого углерода, тогда как при вулканических извержениях происходит увеличение массы атмосферы на величину, равную массе выделенного газа.

Углекислый газ в количественном исчислении является вторым после газообразной воды выделяемым газом в резуль­тате вулканизма, большинство газа, выделяемого подводными вулканами, оказывается растворенным в воде.[26] Изотопный состав выделяемого диоксида углерода примерно соответствует изотопному составу атмосферного CO2, получаемого в результате сжигания ископаемых энергоносителей, что затрудняет точное определение объема вулканической эмиссии CO2.[26]

Крупные вулканические извержения могут приводить к значительному выделению диоксида углерода в атмосферу, но такие извержения происходят редко — несколько событий за столетие — и в среднем не оказывают заметного влияния на уровень эмиссии этого газа в атмосферу. Например, при извержении вулкана Лаки1783 года выделилось примерно 90 млн тонн CO2, при извержении Тамбора в 1815 году около 48 млн тонн.

Последним извержением категории VEI 6 было извержение вулкана Пинатубо1991 года. Его основное воздействие на содержание углекислого газа в атмосфере состояло в выделении аэрозолей в стратосферу и, как следствие, в нарушении баланса углеродного цикла из-за снижения на 0,5 °C средней температуры на планете по причине антипарникового эффекта.

Увеличение амплитуды сезонных колебаний на графике Килинга в этот период времени указывает на некоторое улучшение условий для осуществления фотосинтеза растениями в начале 90-х годов XX века. Последнее объясняется эффектом рассеяния солнечного излучения на частицах стратосферного аэрозоля, что и привело к увеличению потребления атмосферного CO2растительностью.[27]

Дыхание

При изучении дыхания и образования диоксида углерода в теле человека иногда путают углекислый и угарный газы между собой. Угарный газ имеет химическую формулу CO и совершенно другие свойства.

Дыхание происходит следующим образом — человек сначала выдыхает углекислоту, а потом вдыхает кислород:

  • В результате биохимических процессов при расщеплении жиров и белков в клетках происходит процесс образования углекислого газа в организме человека. Этот газ выделяется из клеток в капилляры, а затем поступает в кровь. При накоплении крови газом нервная система подает сигнал в мозг о выделении излишков двуокиси углерода за пределы нашего тела. Красные кровяные тельца (эритроциты) транспортируют молекулы углекислоты в виде химических соединений бикарбонатов и связанных с гемоглобином к альвеолам легких.
  • В альвеолах происходит обмен молекул углекислого газа на молекулы O2, которые распространяются по всему организму. Эритроциты переносят молекулы кислорода к органам и тканям, связывая его с гемоглобином, а взамен опять забирают продукт жизнедеятельности этих клеток – CO2.
Газообмен в организме

Процесс газообмена.

Доказанным фактом считается то, что углекислота, это основатель дыхательных процессов, а не кислород, как считалось ранее. Двуокись углерода является необходимым газом для дыхания человека наравне с O2.

Процент поступающих и уходящих газов

Газообмен в альвеолах

При выдохе человек выдыхает не только CO2, из легких уходит также избыточный O2. Рефлекс дыхания разделяется в 2 этапа:

  1. При выдыхании происходит снижение давления в легких, купол диафрагмы поднимается, легкие сжимаются, концентрация CO2 в крови повышается. Кровь движется по венам и окрашивается темный, почти черный цвет.
  2. За выдохом идет вдох. При вдохе грудная клетка расширяется, диафрагма опускается. Осуществляется отдача от гемоглобина через альвеолы в легкие и выброс в атмосферу диоксида углерода. Там же в альвеолах происходит прием гемоглобином молекулы O2. Кровь переходит на следующий круг и движется по артериям. Она окрашивается в ярко-розовый цвет.
Предлагаем ознакомиться  Как посчитать процент застройки земельного участка

Источники углекислого газа

Нормальный здоровый человек дышит ровно и регулярно. Учащенное дыхание или с задержкой, если это не вызвано большими физическими или психологическими нагрузками, считается сигналом о серьезных заболеваниях организма.

Современная концентрация

Источники углекислого газа
Источники углекислого газа

Изменение концентрации CO

2

за 50 лет.

В 2009 году средняя концентрация CO2 в земной атмосфере составляла 0,0387 % или 387 ppm.[1][28] Вместе с годовым ростом 2,20±0,01 ppm в течение года наблюдается периодическое изменение концентрации амплитудой 3–9 ppm, которое следует за развитием вегетационного периода в Северном полушарии. Потому как в северной части планеты располагаются все основные континенты, влияние растительности Северного полушария доминирует в годовом цикле концентрации CO2. Уровень достигает максимума в мае и минимума в октябре, когда количество биомассы, осуществляющее фотосинтез, является наибольшим.[29]

Взаимосвязь с концентрацией в океане

Существует два круга кровообращения в организме: большой артериальный и малый венозный. По большому кругу транспортируется артериальная кровь, насыщенная кислородом. По малому кругу движется венозная кровь, насыщенная CO2.

Транспорт газов кровью

Транспорт газов кровью

Раньше существовало мнение, что с выдохом углекислый газ в организме человека не остается. Однако как показывают исследования, в артериальной крови всегда присутствует определенное количество углекислоты. Концентрация ее небольшая, в пределах 6,0-7,0%, но если она превышает или наоборот, меньше этого количества, то для организма это плохо.

Таблица зависимости здоровья от содержания CO2

Зависимость здоровья от содержания углекислоты

При физических нагрузках обменные процессы в клетках ускоряются, чтобы вывести большее количество углекислоты, человеку необходимо чаще и глубже дышать. Процесс происходит рефлекторно. В таких случаях опасно находится в помещении с высокой концентрацией CO2, так как вместе с O2 человек вдыхает двуокись углерода.

Изучая процессы дыхания и газообмена в организме человека, ученые пришли к выводу, что опасен для здоровья не столько недостаток кислорода, сколько избыток диоксида углерода в воздухе.

Источники углекислого газа

Высокая концентрация этого вещества в крови приводит к гибели эритроцитов и воспалению стенок кровеносных сосудов. Так происходит если наличие углекислого газа в воздухе более 3 %. При таком уровне человек чувствует себя слабым, его тянет на сон. При концентрации 5% проявляется удушающий эффект, головные боли, головокружение.

Источники углекислого газа
Источники углекислого газа

Обмен двуокисью углерода между водоёмами и воздухом.

CaCO3 CO2 H2O Ca2 2 HCO3

Реакции, подобные этой, приводят к уменьшению изменений в количестве атмосферного CO2. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO2 в левой части уменьшает pH, то есть приводит к окислению океана. Другие реакции между двуокисью углерода и некарбонатными породами также приводят к образованию угольной кислоты и её ионов.

Данный процесс обратим, что приводит к образованию известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде CO2. В течение сотен миллионов лет этот процесс привел к связыванию в карбонатных породах бо́льшей части первоначального диоксида углерода из протоатмосферы Земли.

Изменения концентрации в прошлом

Наиболее достоверный способ измерения концентрации двуокиси углерода в атмосфере за период времени до начала прямых измерений, состоит в определении его количества в пузырьках воздуха, заключенных в ледяных кернах из материковых ледников Антарктиды и Гренландии. Наиболее широко в этих целях используются антарктические керны, согласно которым уровень атмосферного CO2 оставался в пределах 260–284 ppm до начала промышленной революции в середине XIX века и на протяжении 10 тыс.

лет до этого момента времени.[30] Отдельные исследования, основанные на изучении ископаемой листвы, указывают на гораздо более существенные изменения уровня CO2 в этот период (~300 ppm), но они подвергаются критике.[31][32] Также керны, взятые в Гренландии, указывают на бо́льшую степень изменения концентрации углекислого газа по сравнению с результатами, полученными в Антарктиде.

Но при этом исследователи гренландских кернов предполагают, что бо́льшая вариативность здесь обусловлена локальными осадками карбоната кальция.[33] В случае низкого уровня пыли в образцах льда, взятого в Гренландии, данные по уровням CO2 в течение Голоцена хорошо согласуются с данными из Антарктики.

Предлагаем ознакомиться  Чертеж скамейки для качелей

Наиболее продолжительный период измерений уровней CO2 на основании изучения ледяных кернов возможен в Восточной Антарктиде, где возраст льда достигает 800 тыс. лет, и который показывает, что концентрация двуокиси углерода изменялась в пределах 180–210 ppm во время ледниковых периодов и увеличивалась до 280–300 ppm в более теплыепериоды.[3][34][24]

Источники углекислого газа
Источники углекислого газа

Изменения концентрации атмосферного

углекислого газа

в течение

Фанерозоя

(последние 542 млн лет, современный период расположен слева). В течение бо́льшей части периода в 550 млн лет уровень CO

2

значительно превосходил современный.

На более продожительных интервалах времени, историческое содержание атмосферного CO2 определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветриваниесиликатных пород и вулканизм в изучаемый период.

На протяжении десятков миллионов лет в случае любого нарушения равновесия в цикле углерода происходило последующее уменьшение концентрации CO2. Потому как скорость этих процессов исключительно низка, установка взаимосвязи эмиссии двуокиси углерода с последующим изменением её уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

Для изучения концентрации углекислого газа в прошлом также используются различные косвенные (англ.)русск. методы датирования. Они включают определение соотношения изотоповбора и углерода в некоторых типах морских осадочных пород и количество устьиц в ископаемой листве растений. Несмотря на то, что эти измерения дают ме́ньшую точность измерений по сравнению с ледяными кернами, они позволяют определить очень высокие концентрации CO2 в прошлом, которые 150-200 млн лет назад составляли 3 000 ppm (0,3 %) и 400-600 млн лет назад — 6 000 ppm (0,6 %).[4]

Снижение уровня атмосферного CO2 прекратилось в начале Пермского периода, но продолжилось, начиная при­мерно с 60 млн лет до н.э. На рубеже Эоцена и Олигоцена, время, которое соответствует началу формиро­ва­ния современного ледяного щита Антарктиды 34 миллиона лет назад, количество CO2 составляло 760 ppm.

Желудочно-кишечный тракт

Источники углекислого газа

Углекислый газ в организм попадает не только при дыхании, но и вместе с пищей. Углерод содержится практически во всех органических веществах, наибольшая концентрация содержится в продуктах растительного происхождения. Больше всего его образуется при расщеплении легкоусвояемых углеводов.

В результате пищеварения, пища расщепляется на два компонента: CO2 и воду. Далее происходит восстановление диоксида углерода до глюкозы. Процесс этот называется гликолиз и происходит он в печени. Глюкоза, это питательный элемент для клеток организма.

Углекислота влияет на химический состав жидкости в теле человека, хотя и не так значительно, но при сильном понижении или превышении может оказывать губительное воздействие. В организме почти все процессы жизнедеятельности клеток происходят при определенном уровне кислотно-щелочного баланса, который скорее близок к нейтральной воде, чем к кислоте.

Продукты и их pH

Продукты и их кислотно-щелочной баланс

Поэтому продукты, содержащие CO2 в свободном состоянии (газировка) во многих странах запрещены к продаже.

Наибольший вред они наносят организму:

  • При любых заболеваниях желудочно-кишечного тракта, в том числе хронических. Так как при приеме в пищу таких продуктов, происходит раздражение слизистой желудка. Они стимулируют выработку ферментов и повышают кислотность желудочного сока, что приводит к обострению имеющихся воспалительных процессов, образованию или углублению язвочек.
  • Детям, до трех лет не стоит давать такие продукты, потому что их организм еще не совсем сформировался. Поэтому углекислота может привести к нарушению обмена веществ в организме и в будущем стать причиной высокой хрупкости костей.
  • Диоксид углерода может вызвать аллергическую реакцию у человека.
  • При наличии лишнего веса нельзя употреблять такие продукты, так как полнота, это следствие нарушения обмена веществ. А употребление продуктов с высоким содержанием CO2 приведет только к усугублению ситуации.

Во многих западных странах принят закон, в соответствии с которым наличие углекислого газа в продуктах не должно превышать 0,4%. Исключение дается только простой минеральной воде с газом, но только в том случае, если она содержит незначительное количество диоксида углерода. Но и это допустимо только по разрешению или рекомендации врача, особенно при болезнях желудка.

Красота и здоровье

Однако CO2 имеет и положительно действие на организм человека. Так диоксид углерода является очень мощным обеззараживающим средством. Его используют в медицине и косметологии. Применяют углекислый газ совместно с другими компонентами, наружно, а также производят инъекции (Карбокси-терапия). Крем или гель, содержащий углекислоту, хорошо обеззараживает и очищает кожу, а непосредственное введение его во внутренние ткани тела помогает бороться с целлюлитом.

Заключение

Очень жаль, что система образования в наших странах не уделяет столь важного внимания для пересмотра учебников в школах и институтах. Полученные знания об углекислоте необходимо доводить со школьной скамьи до учащихся образовательных учреждений. Знания многих процессов, протекающих в организме с участием диоксида углерода, могли бы научить нас правильному питанию и ведению здорового образа жизни.

Оцените статью
Сад
Добавить комментарий

Adblock detector