Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»


ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке



Библиотека

 
Ф. Вильчек
«Красота физики». Глава из книги


К. Каренина, А. Гилёв
Зачем степи артезианы?


Н. Резник
Густой волос и низкий голос


Дж. Бэрроу
«История науки в знаменитых изображениях». Глава из книги


М. Борисов
Хеопс на подошве Имхотепа и сад камней


С. Дробышевский
«Европейский папуас», или «Человек мира»: мужчина с Маркиной горы


М. Москалева
Студенты МГУ против лженауки


Ж. Резникова
И даман поманил за собой


В. Сурдин
Поиски новых планет


С. Горбунов
Сeratotherium simum cottoni. Последний из могикан







Главная / Новости науки версия для печати

Валовая первичная продукция биосферы на 25–45% выше, чем предполагалось ранее


Распределение годовой чистой первичной продукции (NPP, в кг углерода на кв. м) по поверхности суши. Основная продукция создается в тропическом поясе — растительностью лесов и саванн. Изображение с сайта www.sage.wisc.edu
Распределение годовой чистой первичной продукции (NPP, в кг углерода на м2) по поверхности суши. Основная продукция создается в тропическом поясе — растительностью лесов и саванн. Изображение с сайта www.sage.wisc.edu

Детальные наблюдения за изменениями содержания тяжелого изотопа кислорода 18O, входящего в состав CO2, позволили лучше представить себе, как экосистемы Земли и атмосфера обмениваются этим газом. Выяснилось, что оборот CO2 между атмосферой и совокупностью всех наземных и океанических экосистем происходит быстрее, чем предполагалось ранее. Кроме того, процессы эти оказались тесно связанными с явлениями Эль-Ниньо, с чередованием более сухих и более влажных лет. Чтобы объяснить наблюдаемую картину, потребовалось пересмотреть принятую оценку величины валовой первичной продукции (Gross Primary Production, GPP), то есть количества углерода, потребляемого в процессе фотосинтеза растительностью и фитопланктоном. Свести баланс CO2 оказалось возможным только при допущении, что величина GPP составляет не 120 Гт (гигатонн, 109 тонн) углерода в год, как предполагалось ранее, а 150–175 Гт.

В ходе фотосинтеза растения, используя энергию света, разлагают воду, потребляют углекислый газ (CO2) и синтезируют органическое вещество. Кислород, который остается от разложения воды, выделяется во внешнюю среду как бросовый продукт обмена веществ:

    CO2 + H2O + энергия света → (CH2O) + O2,

где (CH2O) — обобщенная формула органического вещества.

За счет фотосинтеза растения растут, а увеличение их массы (обычно выражаемое в углероде) — это есть чистая первичная продукция (Net Primary Production, NPP). Помимо чистой первичной продукции экологи различают также валовую первичную продукцию (Gross Primary Production, GPP), то есть то количество углерода, которое в составе углекислого газа CO2 исходно было потреблено растением, но значительная часть которого вскоре была выделена растениями (или фитопланктоном) во внешнюю среду в результате собственного дыхания.

Иными словами, чистая первичная продукция (которую чаще всего и определяют), — это разность валовой продукции и трат на дыхание. При этом, когда речь идет об NPP всей экосистемы, учитывают дыхание не только самих растений, но и множества разных гетеротрофов (прежде всего грибов и бактерий), разлагающих органическое вещество отмирающих растительных тканей. Поскольку в любой экосистеме одновременно идут как процессы связывания CO2, так и его выделения, измерить валовую первичную продукцию каким-либо прямым способом не удается. Ее приходится рассчитывать на основании определенных математических моделей при введении ряда допущений.

Современная оценка валовой первичной продукции (GPP) всей биосферы, принимаемая большинством специалистов, — это 120 Гт (109 тонн) углерода в год. Однако Лиза Уэльп (Lisa R. Welp) и Ральф Килинг (Ralph Keeling) из Скриппсовского института океанографии, совместно с рядом сотрудников из того же института, а также из научных учреждений Нидерландов, Австралии и Японии, попытались по-новому подойти к оценке валовой продукции Земли. Основой нового подхода стал анализ динамики не столько углерода, сколько кислорода, входящего в состав CO2. Кислород (в том числе и в составе CO2) может быть представлен как обычным изотопом 16O, так и тяжелым 18O. Когда CO2 растворяется в воде, то кислород его обменивается с кислородом воды, а изотопный состав их выравнивается. Если же далее CO2 будет выделяться в атмосферу или потребляться растениями (или фитопланктоном), то он будет нести в себе метку воды, в которой был растворен. Но разные воды отличаются изотопным составом прежде всего потому, что молекулы воды, содержащие более легкий изотоп 16O, быстрее испаряются, а оставшаяся вода обогащается более тяжелым 18O.

В своих расчетах Уэльп с коллегами опирался на 30-летние ряды непрерывных наблюдений за изотопным составом CO2 атмосферы, которые проводили на Северном полюсе, на Гавайях (обсерватория Мауна-Лоа; см. Mauna Loa Observatory), на Аляске и еще в ряде мест, охватывающих самые разные широты северного и южного полушарий (всего 11 серий наблюдений).

(a) Содержание CO2 в атмосфере (Мауна-Лоа, Гавайи) начиная с 1980-х годов. (b) Относительное содержание тяжелого изотопа углерода 13C в CO2 атмосферы (там же). (c) Относительное содержание тяжелого изотопа кислорода 18O в CO2 (δ18O) атмосферы (там же). Из статьи Matthias Cuntz в Nature (V. 477. P. 547–548)
(a) Содержание CO2 в атмосфере (Мауна-Лоа, Гавайи) начиная с 1980-х годов.
(b) Относительное содержание тяжелого изотопа углерода 13C в CO2 атмосферы (там же). Видно, что этот график выглядит как обратный верхнему.
(c) Относительное содержание тяжелого изотопа кислорода 18O в CO218O) атмосферы (там же). Этот показатель зависит не только от цикла углерода, но и от цикла воды. Стрелками показаны годы, когда зафиксировано Эль-Ниньо.
Из статьи Matthias Cuntz в Nature (V. 477. P. 547–548)

Выяснилось, что изотопный состав кислорода в CO2 в отличие от изотопного состава углерода не зависит от роста содержания CO2 в атмосфере в результате сжигания ископаемого топлива. А вот что влияет на изотопный состав кислорода в молекулах CO2, так это квазипериодические изменения климата, определяемые явлениями Эль-Ниньо (или, как точнее говорят климатологи, Эль-Ниньо — Южная осцилляция) — необычно высоким прогреванием поверхностных вод Тихого океана, которые западными ветрами сносятся к берегам Южной Америки. В годы Эль-Ниньо резко сокращается количество осадков, выпадающих на значительной территории в северной части Южной Америки, а также в Юго-Восточной Азии, то есть там, где произрастают тропические леса, вносящие огромный вклад в глобальную первичную продукцию. Соответственно, в более сухие годы сокращается первичная продукция (связывание CO2 растениями). В изотопном составе кислорода, входящего в CO2, в годы Эль-Ниньо существенно возрастает доля тяжелого 18O (величина δ18O–CO2). При этом, как проследили авторы обсуждаемой статьи, изменение это начинается в тропиках, а потом постепенно распространяется в область более высоких широт — как в Южном, так и в Северном полушарии.

Динамика явлений Эль-Ниньо (a), представленная величиной специального индекса (чем сильнее выражено Эль-Ниньо, тем выше значение индекса; начало каждого Эль-Ниньо показано стрелками) и относительного содержания тяжелого изотопа кислорода в углекислом газе (δ18O–CO2) на Гавайях (b) и на Северном полюсе (c) за последние 30 лет. Из обсуждаемой статьи в Nature
Динамика явлений Эль-Ниньо (a), представленная величиной специального индекса (чем сильнее выражено Эль-Ниньо, тем выше значение индекса; начало каждого Эль-Ниньо показано стрелками) и относительного содержания тяжелого изотопа кислорода в углекислом газе (δ18O–CO2) на Гавайях (b) и на Северном полюсе (c) за последние 30 лет. Точки — результаты оценок δ18O–CO2 в пробах воздуха, серая линия — кривая, описывающая данную совокупность, черная кривая — эмпирическая модель Эль-Ниньо для данной широты. Из обсуждаемой статьи в Nature

Механизм обогащения CO2 тяжелым изотопом кислорода, по-видимому, связан с тем, что этого изотопа становится больше в выпадающих осадках: соответствующая изотопная «метка» δ18O переходит в почву и в воду, поднимаемую по стеблям к листьям. Другой эффект связан с тем, что в засушливые годы в воде, содержащейся в листьях, больше δ18O, чем в почвенной влаге (поскольку в ткани растений включается преимущественно более легкий изотоп кислорода). Дальнейшим шагом работы было построение модели динамики CO2 в атмосфере, которая наилучшим образом соответствовала полученным данным. При этом выяснилось, что среднее время пребывания молекулы CO2 в атмосфере Южного полушария почти в два раза больше, чем в Северном. В целом же для атмосферы Земли оно составляет 0,9–1,7 года. Чтобы объяснить наблюдаемую динамику CO2 в атмосфере и периодически меняющуюся долю δ18O в молекулах CO2, пришлось отказаться от общепринятой оценки GPP в 120 Гт углерода в год и допустить, что величина эта составляет 150–170 Гт, то есть на 25–45% выше.

Источник: Lisa R. Welp, Ralph F. Keeling, Harro A. J. Meijer, Alane F. Bollenbacher, Stephen C. Piper, et al. Interannual variability in the oxygen isotopes of atmospheric CO2 driven by El Niño // Nature. 2011. V. 477. P. 579–582.

См. также:
Matthias Cuntz. Carbon cycle: A dent in carbon's gold standard // Nature. 2011. V. 477. P. 547–548.

Алексей Гиляров


Комментарии (5)



Последние новости: ЭкологияАлексей Гиляров

26.05
Очертания видового ареала определяются экологическими свойствами вида
4.05
Рост концентрации CO2 в атмосфере способствует увеличению растительного покрова
24.02
Борнео — центр эндемизма птиц современной Индонезии
22.01
Дельфины помогают олушам ловить сардин
11.01
Голоценовые биосообщества изменились после расселения человека по Земле
26.11
Коммуны миролюбивых пауков погибают быстрее, чем агрессивных
12.09
Перевылов трески привел к увеличению разнообразия рыб
2.09
Бурые водоросли не подтверждают экологическую гипотезу чередования гаплоидной и диплоидной стадий
3.08
Новый сорт риса поможет уменьшить выбросы парниковых газов
29.07
У комаров генетическая адаптация к окружающей среде определяется только географией


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия