Атмосфера содержит процент углекислого газа, который встречается на планете

Концентрация

Изменения концентрации атмосферного углекислого газа в течение фанерозоя (последние 541 млн лет, современность справа). В течение бо́льшей части последних лет уровень CO2 значительно превосходил современный.

На более продолжительных интервалах времени содержание атмосферного CO2 определяется на основании определения баланса геохимических процессов, включая определение количества материала органического происхождения в осадочных породах, выветривание силикатных 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 диоксида углерода с последующим изменением его уровня в течение следующих сотен лет является сложной задачей.

К естественным источникам диоксида углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических 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 гниения органических остатков 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 деятельности, такие, например, как производство цемента и утилизация попутных нефтяных газов путём 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.

Эмиссия углерода в атмосферу в результате промышленной деятельности в 1800—2004 гг.

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

Изменение температуры и углеродный цикл

Время на прочтение

Тропосфера — нижний очень тонкий слой атмосферы высотой 8-18 км, в котором сосредоточено 80% массы атмосферы Земли

Важность атмосферного O2 для биологических и геохимических процессов на Земле чрезвычайно высока. Поэтому учёные давно изучают, как изменялось содержание кислорода в истории нашей планеты. Это можно понять из расчёта парциального давления O2 и N2 в общем атмосферном давлении.

Несмотря на долгую историю вопроса, у специалистов до сих пор нет единого мнения об изменении атмосферного давления на протяжении последних 500 млн лет. Расчёты отличаются до 0,2 атм (см. диаграмму внизу). Даже за последние несколько миллионов лет нет ясной картины, как именно менялось атмосферное давление, парциальное давление и, следовательно, концентрация O2.

Вопрос непростой, ведь кислород из атмосферы постоянно потребляют животные, растения и даже камни. Группа учёных из Принстонского университета прояснила этот вопрос, изучив концентрацию воздушных пузырьков в ледяных кернах Гренландии и Антарктиды.

Ледяной керн с глубины 1837 м с видимыми годовыми слоями

На сегодняшний день ледяные керны — самый надёжный и точный источник данных об атмосферном давлении. Максимальный возраст льда в кернах — 800 тыс. лет, поэтому исследования ограничены этим временным интервалом.

Добыча ледяных кернов на научной станции «Восток» в Антарктиде

Оказалось, что в течение этого времени с Земли происходит довольно стабильная утечка кислорода со скоростью примерно 8,4 промилле за миллион лет. В частности, за последние 800 000 лет в атмосфере стало примерно на 0,7% меньше кислорода.

На диаграмме слева показано, как отличаются результаты научного моделирования соотношения O2/N2 в атмосфере и парциального давления. На диаграмме справа — изменение парциального давления по результатам измерения воздушных пузырьков в ледяных кернах за 800 тыс. лет

«Мы проделали эти измерения больше из интереса, чем для подтверждения теории, — сказал один из авторов научной работы Дэниель Столпер (Daniel Stolper). — Мы не знали, что получится: будет кислород увеличиваться с годами, уменьшаться или оставаться на постоянном уровне».

Уменьшение количества кислорода в атмосфере происходит довольно медленно. Вероятно, в ближайшие миллионы лет оно не угрожает человеческой жизни. Но информация о природе таких циклов очень важна для науки. Нам нужно знать, под влиянием каких факторов происходят изменения. Эту информацию можно использовать, в том числе, при терраформировании Марса, когда люди начнут заселение Красной планеты. Вероятно, нам придётся повышать количество кислорода в марсианской атмосфере.

На Земле тоже не было кислорода в первые пару миллиардов лет. Согласно наиболее вероятной теории, примерно 2,4 млрд лет назад уровень кислорода резко подскочил благодаря активности цианобактерий, известных также как сине-зелёные водоросли. Этот период резкого изменения состава атмосферы с последующей перестройкой биосферы и глобальным гуронским оледенением в истории Земли известен как кислородная катастрофа.

Сине-зелёные водоросли — причина, по которой 2,4 млрд лет назад на Земле появился кислород в большом количестве и возникла более продвинутая жизнь

Такую же кислородную катастрофу можно устроить на Марсе.

Учёные ещё не пришли к единому мнению, почему атмосфера Земли медленно теряет кислород. Есть две гипотезы. Одна из них — это происходит из-за увеличения скорости эрозии, в результате которой из почвы извлекается больше горных пород, которые окисляются и связывают больше кислорода. Другая теория связана с изменением климата: за последние несколько миллионов лет температура немного снизилась, несмотря на резкий рост в последние десятилетия. Из-за снижения температуры могла инициироваться цепочка экологических реакций, в результате которой больше кислорода стало растворяться и связываться в Мировом океане.

Пока что всё это лишь гипотезы, которые следует проверить.

В данный момент атмосфера Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,039% углекислого газа и небольшие примеси других газов. В ней также постоянно изменяется концентрация водяного пара, который считается одним из основных парниковых газов. На уровне океана концентрация H2O в атмосфере составляет около 1%, а в среднем — около 0,4%. Общая масса атмосферы — 5,5×1018 кг, то есть 5,5 зеттаграммов или 5,5 петатонн.

Накопление кислорода в атмосфере Земли. Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка. 1. 3,85-2,45 млрд лет назад. 2. 2,45-1,85 млрд лет назад: начало производства кислорода и поглощение его океаном и породами морского дна. 3. 1,85-0,85 млрд лет назад: окисление горных пород на суше. 4. 0,85-0,54 млрд лет назад: все горные породы на суше окислены, начинается накопление кислорода в атмосфере. 5. 0,54 млрд лет назад — настоящее время

Научная работа опубликована 23 сентября 2016 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.aaf5445).

Роль в парниковом эффекте

К естественным источникам двуокиси углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических 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.

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

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.

• Геохимический цикл углерода
• Глобальное потепление
• Изменение климата
• Киотский протокол (CO2, CH4, HFCs, PFCs, N2O, SF6)

В культуреПравить

Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который замедляет реакцию, и который удаляется значительным избытком кислоты с образованием кислого сульфата кальция.

Для приготовления сухих напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.

Физические свойства

Толщина атмосферы — примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)·1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет 5,1352 ±0,0003·1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·1016 кг.

Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль, плотность воздуха у поверхности моря приблизительно равна 1,2 кг/м3. Давление при 0 °C на уровне моря составляет 101,325 кПа; критическая температура — −140,7 °C; критическое давление — 3,7 МПа; Cp при 0 °C — 1,0048·103 Дж/(кг·К), Cv — 0,7159·103 Дж/(кг·К) (при 0 °C). Растворимость воздуха в воде (по массе) при 0 °C — 0,0036 %, при 25 °C — 0,0023 %.

За «нормальные условия» у поверхности Земли приняты: плотность 1,2 кг/м3, барометрическое давление 101,35 кПа, температура плюс 20 °C и относительная влажность 50 %. Эти условные показатели имеют чисто инженерное значение.

Влияние концентрации CO2 в атмосфере на продуктивность растений (фотосинтеза)Править

По способу фиксации CO2 подавляющее большинство растений относятся к типам фотосинтеза С3 и С4. К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений (около растительной биомассы Земли это С3-растения). К группе С4 принадлежат некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, просо.

С4-механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций CO2 в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации CO2 в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста.

У С3-растений кривая начинает выходить на плато при концентрации CO2 более .

Однако у С4-растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации CO2 в . Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент более 400 молекул на миллион (ppm), уже достигла оптимума для фотосинтеза у С4-растений, но всё ещё очень далека от оптимума для С3-растений.

По экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO2 приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3-растений на , а у С4 — на

Добавление в окружающий воздух CO2 приведет к росту продуктивности у С3-растений на и у С4 — на у фруктовых деревьев и бахчевых культур — на бобовых — на корнеплодных — на овощных — на

Взаимосвязь с концентрацией в океанеПравить

Обмен диоксидом углерода между водоёмами и воздухом

В земных океанах диоксида углерода в сто раз больше, чем в атмосфере — 36⋅1012 тонн в пересчёте на углерод. Растворенный в воде CO2 содержится в виде гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скальными породами, водой и CO2. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

Реакции, подобные этой, приводят к сглаживанию колебаний концентрации атмосферного CO2. Так как правая часть реакции содержит кислоту, добавление CO2 в левой части уменьшает pH, то есть приводит к закислению океана. Другие реакции между диоксидом углерода и некарбонатными породами тоже приводят к образованию угольной кислоты и его ионов.

Физиологические и другие свойства атмосферы

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

На высоте около 19—20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека, «космос» начинается уже на высоте 15—19 км.

Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъёма на всё большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В разреженных слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100—130 км знакомые каждому лётчику понятия числа М и звукового барьера теряют свой смысл: там проходит условная линия Кармана, за которой начинается область чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (т. е. с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение.

СсылкиПравить

• утечка легких газов (водорода и гелия) в межпланетное пространство;
• химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов.

Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим — азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов).

Образование большого количества азота N2 обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом О2, который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот N2 выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотсодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы.

Азот N2 вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, т. н. сидератами.

Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и др. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.

В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень.

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом его деятельности стал постоянный значительный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества СО2 потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание СО2 в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 200—300 лет количество СО2 в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.

Сжигание топлива — основной источник и загрязняющих газов (СО, NO, SO2). Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до SO3 в верхних слоях атмосферы, который в свою очередь взаимодействует с парами воды и аммиака, а образующиеся при этом серная кислота (Н2SO4) и сульфат аммония ((NH4)2SO4) возвращаются на поверхность Земли в виде т. н. кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания приводит к значительному загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и соединениями свинца (тетраэтилсвинец Pb(CH3CH2)4)).

Аэрозольное загрязнение атмосферы обусловлено как естественными причинами (извержение вулканов, пыльные бури, унос капель морской воды и пыльцы растений и др.), так и хозяйственной деятельностью человека (добыча руд и строительных материалов, сжигание топлива, изготовление цемента и т. п.). Интенсивный широкомасштабный вынос твёрдых частиц в атмосферу — одна из возможных причин изменений климата планеты.

Обмен двуокисью углерода между водоёмами и воздухом.

Земные океаны содержат двуокись углерода в виде гидрокарбоната и ионов карбоната, в количестве, которое в сто раз превосходит её содержание в атмосфере и составляет приблизительно 36·1012 тонн углерода. Гидрокарбонаты получаются в результате реакций между скалами, водой и CO2. Одним из примеров является разложение карбоната кальция:

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.

Нахождение в природеПравить

В промышленности получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании разлагается, высвобождая углекислоту. При промышленном производстве закачивается в баллоны.

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора с соляной кислотой.

Изменения концентрации в прошлом

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 CO2 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, выветривание силикатных 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.

В пищевой промышленности диоксид углерода используется как консервант и обозначается на упаковке под кодом Е290, а также в качестве разрыхлителя теста.

Жидкая углекислота (жидкая пищевая углекислота) — сжиженный углекислый газ, хранящийся под высоким давлением (~ 65-70 Атм). Бесцветная жидкость. При выпуске жидкой углекислоты из баллона в атмосферу часть её испаряется, а другая часть образует хлопья сухого льда.

Баллоны с жидкой углекислотой широко применяются в качестве огнетушителей и для производства газированной воды и лимонада. Углекислый газ используется в качестве активной среды при сварке проволокой так как при температуре дуги углекислота разлагается на угарный газ СО и кислород который в свою очередь и входит в заимодействие с жидким металом окисляя его. Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.

Твёрдая углекислота — сухой лёд — используется в качестве хладагента в ледниках и морозильных установках.

• International Chemical Safety Card 0021 (англ.)
• CID 280 с сайта PubChem (англ.)
• CO2 Диоксид углерода, свойства, применение (англ.)
• Фазовая диаграмма (давление-температура)для диоксида углерода
• Molview from bluerhinos.co.uk Диоксид углерода в 3D
• Dry Ice information (англ.)
• Trends in Atmospheric Carbon Dioxide (NOAA)
• Phase Diagram of Carbon Dioxide(англ.)
• Experiment 071 — Triple Point Phase Transition for Carbon Dioxide
• CO2 как природный рефрежерант — FAQs (англ.)
• Великобритания разрабатывает метод сохранения двуокиси углерода

.
.

• International Chemical Safety Card 0021 Архивная копия от 13 февраля 2008 на Wayback Machine (англ.)
• CID 280 Архивная копия от 18 января 2012 на Wayback Machine — PubChem (англ.)
• CO2 Диоксид углерода, свойства, применение Архивная копия от 13 февраля 2021 на Wayback Machine (англ.)
• Фазовая диаграмма (давление-температура) для диоксида углерода
• Диоксид углерода в 3D
• Dry Ice information Архивная копия от 3 апреля 2004 на Wayback Machine (англ.)
• Phase Diagram of Carbon Dioxide (англ.)
• Experiment 071 — Triple Point Phase Transition for Carbon Dioxide
• CO2 как природный рефрежерант — FAQs (англ.)
• Великобритания разрабатывает метод сохранения двуокиси углерода
• Онлайн калькулятор свойств CO2 Архивная копия от 30 сентября 2011 на Wayback Machine (англ.)