Сезонные колебания CO₂

В качестве подсказки советую взять глобус (лучше даже сломанный, отвалившийся от подставки) и посмотреть на него внимательно со стороны Северного полюса и со стороны Южного. Ниже приведена соответствующая пара рисунков (рис. 3). Вам нужно понять, чем различаются Северное и Южное полушария и как эти различия могут сказаться на процессах поглощения и выделения углекислого газа.

Рис. 3. Так выглядит наш Земной шар, если посмотреть на него со стороны Северного полюса (слева) или Южного полюса (справа). Видно, что в Северном полушарии значительное пространство занимают континенты, а в Южном — океаны. Зеленым цветом показана первичная продукция (количество органического вещества образованного за год) наземной растительности и океанического фитопланктона. Чем темнее цвет, тем больше величина первичной продукции. Коричневым цветом показаны области, где продукция очень низка (там попросту отсутствует растительность). Белым цветом показан ледовый покров Северного ледовитого океана и Антарктиды

Посмотрите на график сезонных изменений содержания углекислого газа, полученный за последние годы на астрофизической обсерватории Мауна-Лоа на острове Гавайи (рис. 4). Хотя это всего 20° с. ш., колебания концентрации CO₂ выражены очень четко. Самая высокая концентрация отмечается в мае, самая низкая — в сентябре-октябре.

Рис. 4. Изменение содержания в атмосфере углекислого газа (CO₂) за несколько последних лет по данным обсерватории на вулкане Мауна-Лоа (остров Гавайи). Содержание CO₂ выражено в миллионных долях (ppm). Красная линия — среднемесячные данные (хорошо видны сезонные колебания: максимум приходится на май, минимум — на сентябрь-октябрь). Черная линия — кривая, проведенная по усредненным данным. Она отражает общую тенденцию возрастания содержания CO₂ за последние годы. Данные Национального управления США по океану и атмосфере (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA). График воспроизведен на сайте Earth System Research Laboratory

Наверное вы обратили внимание на то, что Северное полушарие — преимущественно континентальное (большую часть его занимает суша), а Южное — океаническое (в центре — покрытая льдом Антарктида, а вокруг — огромное пространство океана). Можно предположить далее, что суша и океан различаются по интенсивности процессов связывания и выделения углекислого газа. Из графика сезонных изменений концентрации CO₂, полученным на Мауна-Лоа (рис. 4), следует, что в летние месяцы в Северном полушарии количество этого газа сильно снижается (минимум достигается осенью), а в зимние месяцы растет и достигает максимума к весне. Теперь нетрудно догадаться, что уменьшение содержания углекислого газа летом происходит благодаря деятельности растений, а именно — фотосинтезу, в ходе которого CO₂ потребляется. Рост растений, увеличение массы листьев, стеблей и корней происходит за счет углерода, который был поглощен ими из воздуха в форме углекислого газа.

Если за изъятие углекислого газа из атмосферы отвечает фотосинтез, то за его поступление — дыхание всех организмов, в первую очередь бактерий и грибов, разлагающих органическое вещество отмерших растений. Дыхание происходит и весной, и летом, и осенью, а с небольшой интенсивностью — и зимой, по крайней мере в тех местах, где сохраняются положительные температуры. Период вегетации (активного роста растений) в умеренных и высоких широтах ограничен концом весны — началом лета. Но именно тогда количество углекислого газа, связываемого быстро растущими растениями, существенно превосходит количество его, выделяемое в процессе дыхания всех организмов. Поэтому мы и наблюдаем в это время снижение концентрации углекислого газа в воздухе. Затем фотосинтез резко ослабевает, а дыхание всех организмов продолжается, что и приводит к накоплению CO₂. Еще один дополнительный источник углекислого газа, работающий круглогодично, — это сжигание человеком ископаемого топлива.

Здесь читатель вправе заметить, что процессы фотосинтеза и дыхания имеют место не только на суше, но и в океане. Почему же над океаном мы не наблюдаем столь значительных изменений в содержании CO₂ в воздухе? Ведь наиболее активный фотосинтез происходит в море также весной и в начале лета, когда становится тепло, а главное — светло, и когда в воде содержится еще достаточно много элементов минерального питания (азота и фосфора в доступной форме). На самом деле сезонные колебания концентрации углекислого газа в Южном, океаническом, полушарии также существуют, но протекают они, естественно, в противофазе тому, что происходит в Северном. Удивительно, почему у них такая небольшая амплитуда. Здесь могут работать несколько механизмов.

Во-первых, океан (даже его верхние слои) обладает огромной теплоемкостью, что сглаживает сезонные колебания температуры в сравнении с происходящим на суше. Во-вторых, в воде углекислый газ хорошо растворяется (в холодной лучше, чем в теплой) — то есть существует физико-химический механизм связывания CO₂; правда, поверхностные слои океана могут и отдавать CO₂ атмосфере в случае низкого его там парциального давления. В-третьих, и это, пожалуй, самое главное — величина чистой первичной продукции, то есть количество органического вещества, образованного в ходе фотосинтеза автотрофными организмами, в расчете на единицу площади для суши примерно в 2,5 раза выше, чем для океана. Фитопланктон не может обеспечить изъятие из окружающей среды такого количества CO₂, которое изымает наземная растительность умеренных и северных широт. Колебания в содержании углекислого газа, обнаруживаемые обсерваторией на Мауна-Лоа, определяются прежде всего сезонностью в развитии растительности Евразии и Северной Америки.

Вообще-то, воздушная среда в сравнении с водной очень подвижна. Невольно возникает вопрос: почему перемешивание воздушных масс не выравнивает содержание углекислого газа в атмосфере Земли? Здесь необходимо напомнить, что воздух легко и быстро перемещается в широтном направлении, но не в меридиональном. Поэтому на Гавайских островах можно наблюдать результаты сезонного развития растительности на удаленных материках. Но в направлении «север — юг» мы видим сохранение серьезных различий в содержании CO₂ на разных широтах. Мешает меридиональному переносу ячеистая структура воздушной циркуляции. Воздух в районе экватора нагревается сильнее всего, поэтому он поднимается там вверх, расширяясь, движется к северу и югу, постепенно охлаждается и опускается в обоих полушариях к земле примерно на 30°. Потом этот охлажденный воздух движется у поверхности земли к экватору и замыкает круговорот. Таким образом формируются ячейки Гадлея, названные по имени описавшего их английского ученого XVIII века Джорджа Гадлея (George Hadley). Движение воздушных масс в каждой из этих ячеек заставляет двигаться соседние воздушные массы вниз, а затем к северу и югу (в зависимости от полушария). Это уже ячейки Феррела, названные в честь американского метеоролога XIX века Уильяма Феррела (William Ferrel). Наличие подобной ячеистой структуры циркуляции сильно препятствуют перемешиванию воздушных масс в меридиональном направлении, но не создает препятствий для движения по широте.

Рис. 5. Идеализированная обобщенная схема ячеистой циркуляции атмосферы. Очевидно, что наличие подобных ячеек сильно затрудняет перенос воздушных масс в направлении «север — юг». В широтном направлении воздушные массы движутся значительно быстрее, чем в меридиональном. Из: «Биосфера». Сб. статей / Под ред. М. С. Гилярова. М.: Мир, 1972