Можно ли удалить избыток углекислого газа с планеты? )

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.

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

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.

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:

<span data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e0ae556da2703b32cc05b6a8f47debfc5f231b5e" data-alt="{\displaystyle {\ce {CaCO3 + CO2 + H2O Ca^{2+}\ +\ 2HCO3-}}}” data-class=”mwe-math-fallback-image-inline”> .

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.

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

• Углекислый газ в атмосфере земли, Б. М. Смирнов, Объединённый институт высоких температур РАН, 126 (11) (1978), Москва

• При пользовании неисправных дыхательных аппаратов замкнутого цикла (ребризёров).
• В плохо вентилируемых барокамерах, где содержат группу людей.
• При забивке баллонов акваланга.
• При использовании компрессора с плохими фильтрами в душном непроветриваемом помещении.
• При плавании с очень длинной дыхательной трубкой: при выдохе в такой трубке остаётся старый воздух с повышенным содержанием СО₂, и пловец вдыхает его в следующем дыхательном цикле.
• При задержках дыхания под водой. Многие подводники стараются экономить воздух и задерживают выдох. Это и приводит к отравлению СО₂, отчего начинаются головные боли.
• В результате аллергических реакций организма.
• При проведении опытов с большими объёмами сухого льда в замкнутых помещениях^[3].

Лечение производится чистым кислородом, но ни в коем случае не при повышенном давлении — пропорционально парциальным давлениям газов гемоглобин не будет успевать освобождаться от кислорода и захватывать углекислый газ. Повышенное давление кислорода — тоже причина гиперкапнии.

Для контроля гиперкапнии и гипокапнии в медицине используют капнограф — анализатор содержания углекислого газа в выдыхаемом воздухе. Углекислый газ обладает большой диффузионной способностью, поэтому в выдыхаемом воздухе его содержится практически столько же, сколько в крови, и величина парциального давления CO₂ в конце выдоха является важным показателем жизнедеятельности организма.

Чрезмерное воздействие углекислого газа на организм мешает своевременному и правильному использованию респираторов в загрязнённой атмосфере, особенно при невысокой концентрации загрязнений.

При нормальных условиях, диоксид углерода — это бесцветный газ, почти без запаха (в больших концентрациях с кисловатым «содовым» запахом).

Плотность при нормальных условиях — 1,98 кг/м³ (в 1,5 раза тяжелее воздуха). При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное (возгонка). Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.

Диоксид углерода (IV) (углекислый газ) — бесцветный газ, при малых концентрациях в воздухе не имеет запаха, при больших концентрациях имеет характерный кисловатый запах газированной воды. Тяжелее воздуха приблизительно в 1,5 раза.

Молекула углекислого газа линейна, расстояние от центра центрального атома углерода до центров двух атомов кислорода 116,3 пм.

При температуре −78,3 °С кристаллизуется в виде белой снегообразной массы — «сухого льда». Сухой лёд при атмосферном давлении не плавится, а испаряется, не переходя в жидкое состояние, температура сублимации −78 °С. Жидкий углекислый газ можно получить при повышении давления. Так, при температуре 20 °С и давлении свыше 6 МПа (~60 атм) газ сгущается в бесцветную жидкость. В тлеющем электрическом разряде светится характерным бело-зелёным светом.

Негорюч, но в его атмосфере может поддерживаться горение активных металлов, например, щелочных металлов и щёлочноземельных — магния, кальция, бария.

Углекислый газ образуется при гниении и горении органических веществ. Содержится в воздухе и минеральных источниках, выделяется при дыхании животных и растений. Растворим в воде (0,738 объёмов углекислого газа в одном объёме воды при 15 °С).

По химическим свойствам диоксид углерода относится к кислотным оксидам. При растворении в воде образует нестойкую угольную кислоту. Реагирует со щелочами с образованием её солей — карбонатов и гидрокарбонатов. Вступает в реакции электрофильного замещения (например, с фенолом) и нуклеофильного присоединения (например, с магнийорганическими соединениями).

2MgO + C}}}” data-class=”mwe-math-fallback-image-inline”> .

Взаимодействие с оксидом активного металла:

CaCO3}}}” data-class=”mwe-math-fallback-image-inline”> .

При растворении в воде образует равновесную смесь раствора диоксида углерода и угольной кислоты, причём равновесие сильно сдвинуто в сторону разложения кислоты:

 .

Реагирует со щелочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов:

CaCO3 v + H2O}}}” data-class=”mwe-math-fallback-image-inline”>  (качественная реакция на углекислый газ),

KHCO3}}}” data-class=”mwe-math-fallback-image-inline”> .

Содержание углекислого газа в крови человека приблизительно таково:

Углекислый газ транспортируется в крови тремя различными способами (точное соотношение каждого из этих трёх способов транспортировки зависит от того, является ли кровь артериальной или венозной).

• Бо́льшая часть углекислого газа (от 70 % до 80 %) преобразуется ферментом карбоангидразой эритроцитов в ионы гидрокарбоната^[26] при помощи реакции H2CO3 -> H^+ + HCO3^-}}}” data-class=”mwe-math-fallback-image-inline”> .
• Около 5—10 % углекислого газа растворено в плазме крови^[26].
• Около 5—10 % углекислого газа связано с гемоглобином в виде карбаминосоединений (карбогемоглобин)^[26].

Гемоглобин, основной кислород-транспортирующий белок эритроцитов крови, способен транспортировать как кислород, так и углекислый газ. Однако углекислый газ связывается с гемоглобином в ином месте, чем кислород. Он связывается с N-терминальными концами цепей глобина, а не с гемом. Однако благодаря аллостерическим эффектам, которые приводят к изменению конфигурации молекулы гемоглобина при связывании, связывание углекислого газа понижает способность кислорода к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении кислорода, и наоборот — связывание кислорода с гемоглобином понижает способность углекислого газа к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении углекислого газа. Помимо этого, способность гемоглобина к преимущественному связыванию с кислородом или с углекислым газом зависит также и от pH среды. Эти особенности очень важны для успешного захвата и транспорта кислорода из лёгких в ткани и его успешного высвобождения в тканях, а также для успешного захвата и транспорта углекислого газа из тканей в лёгкие и его высвобождения там.

Ионы гидрокарбоната очень важны для регуляции pH крови и поддержания нормального кислотно-щелочного равновесия. Частота дыхания влияет на содержание углекислого газа в крови. Слабое или замедленное дыхание вызывает респираторный ацидоз, в то время как учащённое и чрезмерно глубокое дыхание приводит к гипервентиляции и развитию респираторного алкалоза.

• В промышленных количествах углекислота выделяется из дымовых газов, или как побочный продукт химических процессов, например, при разложении природных карбонатов^[29] (известняк, доломит) или при производстве алкоголя (спиртовое брожение). Смесь полученных газов промывают раствором карбоната калия, которые поглощают углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В современных установках получения углекислого газа вместо гидрокарбоната чаще применяется водный раствор моноэтаноламина, который при определённых условиях способен абсорбировать  , содержащийся в дымовом газе, а при нагреве отдавать его; таким образом отделяется готовый продукт от других веществ.

• Также углекислый газ получают на установках разделения воздуха как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона.

CaCl2 + H2O + CO2 ^}}}” data-class=”mwe-math-fallback-image-inline”> .

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.

CO2 ^ + 394 kJ}}}” data-class=”mwe-math-fallback-image-inline”> .