Saisonale Schwankungen in CO2 • Alexey Gilyarov • Populäre wissenschaftliche Aufgaben zu den "Elementen" • Ökologie

Saisonale Schwankungen CO 2

Luft besteht bekanntermaßen aus molekularem Stickstoff (78%), molekularem Sauerstoff (21%), Argon (1%), einer kleinen Menge Wasserdampf und einer Reihe von Substanzen, deren Gehalt in Hundertstel und Tausendstel Prozent gemessen wird. Unter ihnen ist Kohlendioxid, oder, wie Wissenschaftler es nennen wollen, Kohlendioxid (CO2). Der Einfachheit halber wird der Inhalt von CO2 in der Luft wird es nicht in Prozenten (Hundertstel) geschätzt, sondern in ppm, was mit lateinischen Buchstaben ppm (part per million) bezeichnet wird. Der Kohlendioxidgehalt in der Erdatmosphäre schwankte während seiner gesamten Geschichte in ziemlich weiten Grenzen (siehe: Vor 300 Millionen Jahren gab es in der Atmosphäre viel mehr Kohlendioxid als heute). Jetzt wird seine Konzentration auf 380-390 ppm (oder 0,038-0,039%) geschätzt, obwohl es vor 50 Jahren nur 310-320 ppm war. Der Hauptgrund für das Wachstum von Kohlendioxid in der Atmosphäre während des letzten Jahrhunderts sind seine Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe (Öl, Kohle, Gas) sowie die Entwaldung.

Die Existenz des Lebens auf der Erde ist eng mit der Anwesenheit von Kohlendioxid in der Atmosphäre verbunden. Erstens, Kohlendioxid, zusammen mit Wasserdampf und Methan, erzeugt einen Treibhauseffekt – sorgt für die Erhaltung der Wärme, die die von Sonnenstrahlen erhitzte Erde ausstrahlt.Gäbe es keine Treibhausgase in der Atmosphäre, dann wäre die durchschnittliche jährliche Lufttemperatur an der Erdoberfläche nicht + 15 ° C, wie es jetzt ist, sondern -23 ° C.

Zweitens ist Kohlendioxid eine Kohlenstoffquelle für alle grünen Pflanzen, planktonmikroskopische Algen und Cyanobakterien. Mit der Energie des Sonnenlichts produzieren alle diese Organismen im Laufe der Photosynthese organisches Material aus Kohlendioxid und Wasser und emittieren Sauerstoff als Nebenprodukt. Das Wesen des Prozesses der Photosynthese wird durch eine einfache Gleichung wiedergegeben:

CO2 + H2O + Energie → (CH2O) + O2,

wo (CH2O) – verallgemeinerte Formel der organischen Substanz.

Wird jedoch während der Photosynthese Kohlendioxid gebunden (bzw. aus der Atmosphäre entfernt), so wird es bei einem anderen Vorgang – der Atmung – wieder freigesetzt:

(CH2O) + O2 → CO2 + H2O + Energie.

In der modernen Biosphäre erhält die überwiegende Mehrheit der Organismen die Energie, die sie bei der aeroben Atmung benötigen – die Oxidation organischer Materie durch Sauerstoff. So ist die lebenswichtige Aktivität vieler Organismen selbst eine wichtige Quelle für Kohlendioxid. Den größten Beitrag leistet die Atmung von Pilzen und Bakterien, die die tote Substanz des Pflanzengewebes zersetzen, und auch die Atmung der Pflanzen selbst (vor allem der Wurzeln).

Jetzt haben Wissenschaftler gelernt, die Konzentration von Kohlendioxid in der Luft sehr genau zu messen. An den verschiedensten Orten der Welt, von Alaska bis zum Südpol, gibt es spezielle Stationen, an denen alle Veränderungen des CO-Gehaltes das ganze Jahr hindurch überwacht werden.2. Die gesammelten Daten erlaubten es uns, ein dreidimensionales Diagramm zu erstellen, das die Abhängigkeit der Kohlendioxidmenge in der Luft auf einmal von zwei Parametern – der geografischen Breite der Station und der Jahreszeit – zeigt (siehe Abb. 1).

Abb. 1. Dieser Teppich mit Falten ist nichts anderes als eine dreidimensionale Grafik, die die jahreszeitlichen Veränderungen des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre in verschiedenen Breiten zeigt. Vertikal die Kohlendioxidkonzentration (ausgedrückt in ppm, ppm) ist aufgetragen. Auf der linken horizontalen Achse – geografische Breite: vom Südpol bis 82 ° c. sh. Auf der rechten Seite – Zeit von September 1988 bis September 1992. Die "Teppich" -Linien, die entlang der Zeitachse verlaufen, verbinden die Punkte, die zum gleichen Breitengrad gehören (alle 10 °). Linien, die senkrecht entlang der geografischen geografischen Breite verlaufen, verbinden Punkte, die mit demselben Datum verknüpft sind. Die Grafik basiert auf Daten des Oak Ridge National Laboratory.Aus dem Buch: Tyler Volk Gaias Körper. Auf dem Weg zu einer Philosophie der Erde. New York: Kopernikus. Springer. 1998

Aufgabe

Betrachten Sie die obige Grafik der saisonalen Veränderungen des atmosphärischen Kohlendioxids in verschiedenen Breitengraden sorgfältig. Beachten Sie, dass besonders in der nördlichen Hemisphäre – in Gebieten mit hohen Breiten – ungewöhnlich starke Schwankungen im CO-Gehalt auftreten2. Die Höchstwerte werden im Frühjahr – im April-Mai, und das Minimum – im Herbst, im September-Oktober notiert. In der südlichen Hemisphäre sind die Höhen und Tiefen von CO2 Auch beobachtet, aber in Gegenphase mit dem, was in der nördlichen Hemisphäre passiert, und vor allem – mit einer sehr kleinen Amplitude.
Aufgabe Versuchen Sie, das resultierende Bild zu erklären. Warum schwankt der Kohlendioxidgehalt während des Jahres so stark und warum ist die Schwankungsbreite in der nördlichen Hemisphäre viel höher als im südlichen?

Wenn es Ihnen schwerfällt, die oben gezeigte dreidimensionale Grafik zu verstehen, sehen Sie sich eine weitere an (Abb. 2). Es ist anders orientiert: die südliche Hemisphäre ist näher zu dir, und die nördliche – weiter. Das sind andere Jahre, aber die Natur der jahreszeitlichen Veränderungen in verschiedenen Breiten ist die gleiche: in der südlichen Hemisphäre sind sie sehr schwach ausgedrückt, im Norden – stark.

Abb. 2 Saisonale Schwankungen im CO-Gehalt2 (Werte sind vertikal in ppm aufgetragen) in der Atmosphäre in verschiedenen Breiten von 1981 bis 1984. Änderungen von 60 ° S werden angezeigt. sh. bis 60 ° c. sh. Diese Zahl zeigt auch deutlich, dass saisonale Fluktuationen einer sehr großen Amplitude in der nördlichen Hemisphäre und unbedeutende in der südlichen Hemisphäre beobachtet werden. Aus: Conway, T. J., et al., 1988 // Tellus. V. 40, P. P. 81-115


Tipp 1

Als Hinweis rate ich Ihnen, den Globus zu nehmen (sogar einen gebrochenen, besser dran, der vom Stand gefallen ist) und es vorsichtig vom Nordpol und vom Süden zu betrachten. Unten ist das entsprechende Zeichnungspaar (Abb. 3). Sie müssen die Unterschiede zwischen der nördlichen und der südlichen Hemisphäre verstehen und verstehen, wie diese Unterschiede die Prozesse der Absorption und Freisetzung von Kohlendioxid beeinflussen können.

Abb. 3 So sieht unser Globus aus, wenn man ihn vom Nordpol aus betrachtet (auf der linken Seite) oder der Südpol (auf der rechten Seite). Es ist zu sehen, dass in der nördlichen Hemisphäre beträchtlicher Raum von den Kontinenten und im Süden – den Ozeanen besetzt wird. Grün Die Primärproduktion (Menge an organischer Substanz, die pro Jahr produziert wird) der terrestrischen Vegetation und des ozeanischen Phytoplanktons wird gezeigt. Je dunkler die Farbe, desto größer der Wert der Primärproduktion. Braune Farbe Bereiche, in denen Produkte sehr niedrig sind, werden gezeigt (es gibt einfach keine Vegetation). Weiße Farbe zeigt Eisdecke des Arktischen Ozeans und der Antarktis


Tipp 2

Schauen Sie sich die Grafik der saisonalen Veränderungen des Kohlenstoffgehalts an, die in den letzten Jahren am Mauna Loa Astrophysical Observatory auf der Insel Hawaii erhalten wurden (Abb. 4). Obwohl es nur 20 ° ist. w., CO-Konzentrationsschwankungen2 sehr deutlich ausgedrückt. Die höchste Konzentration wird im Mai, der niedrigste – im September-Oktober beobachtet.

Abb. 4 Die Veränderung des atmosphärischen Kohlendioxids (CO2) in den letzten Jahren laut einer Sternwarte auf dem Vulkan Mauna Loa (Insel Hawaii). CO-Gehalt2 ausgedrückt in Teilen pro Million (ppm). Rote Linie – monatliche Durchschnittsdaten (saisonale Schwankungen sind deutlich sichtbar: das Maximum tritt im Mai, das Minimum im September-Oktober auf). Schwarze Linie – Kurve, gezeichnet von gemittelten Daten. Es spiegelt den allgemeinen Trend steigender CO-Gehalte wider.2 in den letzten Jahren. Daten der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). Die Grafik ist auf der Website des Earth System Research Laboratory wiedergegeben.


Lösung

Vielleicht haben Sie darauf aufmerksam gemacht, dass die nördliche Hemisphäre überwiegend kontinental ist (bungefährdas meiste davon ist Land), und der Süden ist ozeanisch (in der Mitte ist die eisbedeckte Antarktis, und in der Umgebung ist eine riesige Weite des Ozeans). Wir können weiterhin annehmen, dass Land und Meer sich in der Intensität der Bindungs- und Freisetzungsprozesse von Kohlendioxid unterscheiden. Aus dem Diagramm der jahreszeitlichen Veränderungen der CO-Konzentration2Man erhält auf Mauna Loa (Abb. 4), dass während der Sommermonate in der nördlichen Hemisphäre die Menge dieses Gases stark abnimmt (das Minimum wird im Herbst erreicht), und in den Wintermonaten wächst es und erreicht bis zum Frühjahr ein Maximum. Nun ist es nicht schwer zu erraten, dass die Reduktion von Kohlendioxid im Sommer auf die Aktivität der Pflanzen zurückzuführen ist, nämlich auf die Photosynthese, bei der CO2 verbraucht. Das Wachstum von Pflanzen, die Zunahme der Masse von Blättern, Stängeln und Wurzeln ist auf Kohlenstoff zurückzuführen, der von ihnen aus der Luft in Form von Kohlendioxid absorbiert wurde.

Wenn die Photosynthese für die Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre verantwortlich ist, dann ist die Aufnahme die Atmung aller Organismen, vor allem von Bakterien und Pilzen, die die organische Substanz toter Pflanzen zersetzen. Die Atmung erfolgt im Frühling und im Sommer und im Herbst und mit einer geringen Intensität – im Winter zumindest dort, wo die positiven Temperaturen anhalten.Die Vegetationsperiode (aktives Pflanzenwachstum) in gemäßigten und hohen Breitengraden ist auf das Ende des Frühlings – den Beginn des Sommers – beschränkt. Aber dann ist die Menge an Kohlendioxid, die von schnell wachsenden Pflanzen gebunden wird, deutlich höher als die Menge, die während der Atmung aller Organismen freigesetzt wird. Aus diesem Grund beobachten wir zu diesem Zeitpunkt eine Abnahme der Konzentration von Kohlendioxid in der Luft. Dann nimmt die Photosynthese stark ab und die Atmung aller Organismen setzt sich fort, was zur Ansammlung von CO führt2. Eine weitere zusätzliche Quelle von Kohlendioxid, die das ganze Jahr über funktioniert, ist die Verbrennung fossiler Brennstoffe durch den Menschen.

Hier darf der Leser feststellen, dass die Prozesse der Photosynthese und Atmung nicht nur an Land, sondern auch im Ozean stattfinden. Warum beobachten wir über den Ozean keine so bedeutenden Veränderungen des CO-Gehalts?2 in der Luft? Denn die aktivste Photosynthese findet im Meer auch im Frühjahr und Frühsommer statt, wenn es warm wird und vor allem – leicht und wenn das Wasser auch eine ganze Menge Mineralstoffe enthält (Stickstoff und Phosphor in einer zugänglichen Form). In der Tat gibt es saisonale Fluktuationen in der Konzentration von Kohlendioxid in den südlichen, ozeanischen Hemisphären, aber sie treten natürlich in Gegenphase zu dem auf, was im Norden stattfindet.Es ist erstaunlich, warum sie eine so kleine Amplitude haben. Mehrere Mechanismen können hier funktionieren.

Erstens hat der Ozean (sogar seine oberen Schichten) eine enorme Wärmekapazität, die die saisonalen Temperaturschwankungen im Vergleich zu dem, was an Land passiert, glättet. Zweitens, Kohlendioxid löst sich gut in Wasser (besser in der Kälte als in warm) – das heißt, es gibt einen physikalisch-chemischen Mechanismus der CO-Bindung.2; jedoch können die Oberflächenschichten des Ozeans CO ergeben2 Atmosphäre bei niedrigem Partialdruck dort. Drittens, und das ist vielleicht das Wichtigste – der Wert der reinen Primärproduktion, dh die Menge an organischer Substanz, die während der Photosynthese von autotrophen Organismen pro Landeinheit für Land produziert wird, ist etwa 2,5 mal höher als für den Ozean. Phytoplankton kann nicht sicherstellen, dass eine solche Menge an CO aus der Umwelt entfernt wird.2entfernt die terrestrische Vegetation der gemäßigten und nördlichen Breiten. Die Fluktuationen im Kohlenstoffgehalt, die das Observatorium auf Mauna Loa feststellt, sind in erster Linie durch die Saisonalität der Entwicklung der Vegetation Eurasiens und Nordamerikas bestimmt.


Nachwort

Tatsächlich ist die Luft im Vergleich zum Wasser sehr mobil. Die Frage stellt sich unwillkürlich: Warum stimmt das Mischen von Luftmassen nicht den Gehalt von Kohlendioxid in der Erdatmosphäre? Hier ist nötig es zu erinnern, dass sich die Luft in der Breitenrichtung leicht und schnell bewegt, aber nicht in meridionalnoj der Richtung. Daher kann man auf den Hawaii-Inseln die Ergebnisse der saisonalen Vegetation auf abgelegenen Kontinenten beobachten. Aber in Richtung "Nord – Süd" sehen wir die Fortdauer von gravierenden Unterschieden im CO – Gehalt2 in verschiedenen Breiten. Die zelluläre Struktur der Luftzirkulation beeinträchtigt den meridionalen Transport. Die Luft am Äquator heizt sich am härtesten auf, so steigt sie dort auf, dehnt sich aus, bewegt sich nach Norden und Süden, kühlt sich allmählich ab und fällt in beiden Hemisphären um etwa 30 ° auf die Erde. Dann bewegt sich diese gekühlte Luft in der Nähe der Erdoberfläche zum Äquator und schließt den Kreislauf. Auf diese Weise werden Hadley-Zellen gebildet, benannt nach dem englischen Wissenschaftler George Hadley aus dem 18. Jahrhundert, der sie beschrieben hat. Die Bewegung der Luftmassen in jeder dieser Zellen bewirkt, dass sich die benachbarten Luftmassen nach unten und dann nach Norden und Süden bewegen (abhängig von der Hemisphäre).Dies sind die Zellen von Ferrell, benannt nach dem amerikanischen Meteorologen William Ferrell aus dem 19. Jahrhundert. Das Vorhandensein einer solchen zellulären Zirkulationsstruktur stört stark das Mischen von Luftmassen in meridionaler Richtung, schafft jedoch keine Hindernisse für eine Bewegung in der Breite.

Abb. 5 Idealisiertes verallgemeinertes Schema der zellulären Zirkulation der Atmosphäre. Offensichtlich macht es das Vorhandensein solcher Zellen sehr schwierig, Luftmassen in Nord-Süd-Richtung zu übertragen. In Breitenrichtung bewegen sich Luftmassen viel schneller als in meridionaler Richtung. Aus: "Biosphäre". Sa. Artikel / ed. M. S. Giljarowa. M .: Mir, 1972


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