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


5
Показать комментарии (5)
Свернуть комментарии (5)

  • erwins  | 13.10.2011 | 10:11 Ответить
    Возникает вопрос, связано ли глобальное потепление с выбросами СО2? или просто с вырубкой лесов?
    Ответить
    • Алексей Гиляров > erwins | 13.10.2011 | 11:05 Ответить
      Связано с выбросами СО2, которые происходят и при сжигании ископаемого топлива, и при вырубке леса (выжигании, разрушении почвенного покрова, где огромное кол-во углерода, и т.д.). Около 7-8 Гт С попадает ежегодно в атмосферу при сжигании ископаемого топлива и около 2-3 Гт при сведении лесов (а также уничтожении других природных биомов).
      Ответить
  • May_Day  | 13.10.2011 | 10:16 Ответить
    На климатической карте СССР ещё существует :)
    Ответить
    • Скеп-тик > May_Day | 13.10.2011 | 19:56 Ответить
      А жители южного Сахалина и Курил говорят по японски и исповедуют синтоизм ("Древо познания", 2004 год, стр 170. Marshall Cavendish Partworks). Тут Д. Буш-j умником покажется...
      Ответить
  • nemoW  | 16.10.2011 | 00:26 Ответить
    И что, из (предполагаемой) недооценки GPP больше никаких выводов не делается?
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»