Вуглекислий газ в атмосфері Землі, станом на 2013 рік, коливався в межах 393-397 ppm , тоді як на 2023 рік становить приблизно 419 ppm (0,0419%).
Роль вуглекислого газу (CO2, двоокис або діоксид вуглецю) в життєдіяльності біосфери полягає насамперед у підтриманні процесу фотосинтезу, який здійснюється рослинами. Оскільки двоокис вуглецю є парниковим газом, то він впливає на теплообмін планети з навколишнім простором, блокуючи відбите інфрачервоне випромінювання на низці частот, і таким чином бере участь у формуванні клімату планети Petty, G.W.: A First Course in Atmospheric Radiation, pages 229—251, Sundog Publishing, 2004.
Оскільки людство активно використовує викопні енергоносії як паливо, то відбувається швидке збільшення концентрації цього газу в атмосфері. Крім того, за даними МГЕЗК ООН, до третини загальних антропогенних викидів CO2 є результатом знелісненняhttp://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.3.1.5 (p. 527)www.un.org: Зміна клімату. . Антропогенний вплив на концентрацію двоокису вуглецю помітний від середини XIX століття. Починаючи з цього часу, темп її зростання збільшувався і наприкінці 2000-х років відбувався зі швидкістю 2,20±0,01 ppm/рік або 1,7 % за рік, наближаючись до планетарної межі високого ризику. Згідно з окремими дослідженням, сучасний рівень CO2 в атмосфері є максимальним за останні 800 тис. років і, можливо, за останні 20 млн років Climate Change 2001: The Scientific Basis . Декарбонізація включає комплекс методів, направлених на зменшення концентрації CO2 в атмосфері Землі.
Роль в парниковому ефекті
Відмінною особливістю парникових властивостей двоокису вуглецю в порівнянні з іншими газами є його довгостроковий вплив на клімат, який, після припинення емісії, що його викликала, продовжується за інерцією впродовж до тисячі років. Інші парникові гази, такі як метан і оксид азоту, існують у вільному стані в атмосфері протягом коротшого
Попри відносно невелику концентрацію в повітрі, CO2 є важливою компонентою земної атмосфери, оскільки він поглинає і перевипромінює інфрачервоне випромінювання на різних довжинах хвиль, включаючи довжину хвилі 4,26 мкм (вібраційний режим — за рахунок асиметричного розтягнення молекули) і 14,99 мкм (вигинні коливання). Цей процес виключає або знижує випромінювання Землі в космос на цих довжинах хвиль, що призводить до парникового ефекту.
Крім парникових властивостей двоокису вуглецю, має значення той факт, що він важчий від повітря. Оскільки середня відносна молярна маса повітря становить 28,98 г/моль, а молярна маса CO2 — 44,01 г/моль, то збільшення частки вуглекислого газу призводить до збільшенню густини повітря і, відповідно, до зміни профілю його тиску залежно від висоти. В силу фізичної природи парникового ефекту, така зміна властивостей атмосфери призводить до збільшення середньої температури на
Основним джерелом парникового ефекту в атмосфері Землі є водяна пара. За відсутності парникових газів у атмосфері і значенні сонячної постійної 1 368 , середня температура на поверхні повинна становити Насправді середня температура на поверхні Землі становить +15 °C, тобто парниковий ефект призводить до її збільшення на 30 °C, з яких 20,6 °C пояснюється наявністю в повітрі водяної пари, а — вуглекислого газу. Оскільки при збільшенні частки цього газу в атмосфері його велика молярна маса призводить до зростання густини і тиску, то при одній і тій самій температурі зростання концентрації CO2 призводить до збільшення вологоємності повітря і до посилення парникового ефекту, обумовленого великою кількістю води в Збільшення частки води в повітрі для досягнення одного і того ж рівня відносної вологості — внаслідок малої молярної маси води (18 г/моль) — знижує густину повітря, що компенсує збільшення густини, викликане наявністю підвищеного рівня вуглекислого газу в атмосфері.
Комбінація перерахованих факторів у цілому призводить до того, що збільшення концентрації від доіндустріального рівня 280 ppm до сучасного 392 ppm еквівалентне додатковому виділенню 1,8 Вт на кожен квадратний метр поверхні
Джерела вуглекислого газу
До природних джерел двоокису вуглецю в атмосфері належать вулканічні виверження, згоряння органічних речовин у повітрі і дихання представників тваринного світу (аеробні організми). Також деякі мікроорганізми виробляють вуглекислий газ в процесі бродіння, клітинного дихання і перегнивання органічних останків у повітрі. До антропогенним джерел емісії CO2 в атмосферу належать: спалювання викопних і невикопних енергоносіїв для отримання тепла, виробництва електроенергії, транспортування людей і вантажів. До значного виділення CO2 призводять деякі види промислової активності, такі, наприклад, як виробництво цементу та утилізація газів шляхом їх спалювання в газових факелах.
Рослини перетворюють одержуваний вуглекислий газ у вуглеводи в процесі фотосинтезу, який здійснюється за допомогою пігменту хлорофілу, що використовує енергію сонячного випромінювання. Одержуваний газ, кисень, вивільняється в атмосферу Землі і гетеротрофні організми та інші рослини використовують його для дихання, формуючи таким чином вуглецевий цикл.
Природні джерела
Більшість джерел емісії CO2, за даними на 98-й рік, є природними. Перегнивання органічного матеріалу, такого як мертві дерева і трава, призводить до щорічного виділення 220 млрд тонн двоокису вуглецю, земні океани виділяють 330 Внаслідок індонезійських лісових і торф'яних було виділено 13-40 % від середньорічної емісії CO2, одержуваної в результаті спалювання копалин У часи молодої Землі вулканічна активність була головним джерелом вуглекислого газу, а нині його вулканічна емісія (близько 130—230 млн тонн на рік) становить менш як 1 % від
У звичайному стані ці природні джерела перебувають у рівновазі з фізичними та біологічними процесами, що видаляють двоокис вуглецю з атмосфери — частина CO2 розчиняється в морській воді і частина видаляється з повітря в процесі фотосинтезу. Оскільки зазвичай в ході цього процесу поглинається 5,5 т діоксиду вуглецю, а його загальна маса в земній атмосфері становить 3,03 т, то в середньому весь атмосферний CO2 бере участь у вуглецевому циклі раз на шість Через наявність антропогенних викидів поглинання CO 2 біосферою перевершувало його виділення на ≈17 млрд тонн в середині 2000-х років, швидкість його поглинання має стійку тенденцію до збільшення разом із зростанням атмосферної
Антропогенна емісія
З настанням промислової революції в середині XIX століття відбувалося поступове збільшення антропогенних викидів двоокису вуглецю в атмосферу, що призвело до порушення балансу вуглецевого циклу і зростання концентрації CO2. Нині близько 57 % виробленого людством вуглекислого газу видаляється з атмосфери рослинами і Співвідношення збільшення кількості CO 2 в атмосфері до всього виділеного CO2 становить постійну величину порядку 45 % і зазнає короткоперіодичних коливань і коливань з періодом п'ять
Спалювання викопних палив, таких як вугілля, нафта і природний газ, є основною причиною емісії антропогенного CO2, знеліснення є другою за значимістю причиною. У 2008 році в результаті спалювання викопного палива в атмосферу було виділено 8,67 млрд тонн вуглецю (31,8 млрд тонн CO2), тоді як в 1990 році річна емісія вуглецю становила 6,14 млрд Відведення лісів під землекористування привела до збільшення вмісту атмосферного двоокису вуглецю еквівалентне спалюванню 1,2 млрд тонн вугілля у 2008 році (1,64 млрд тонн у 1990). Сумарне збільшення за 18 років становить 3 % від щорічного природного циклу CO2, що достатньо для виведення системи з рівноваги і для прискореного зростання рівня Внаслідок цього, двоокис вуглецю поступово акумулювався в атмосфері й станом на 2009 рік його концентрація на 39 % перевершувала
Таким чином, попри те, що (станом на 2011 рік) сумарне антропогенне виділення CO2 не перевищує 8 % від його природного річного циклу, спостерігається збільшення концентрації, обумовлене не лише рівнем антропогенних викидів, але й постійним зростанням рівня викидів з часом.
Зміна температури і вуглецевий цикл До інших чинників, що збільшують вміст CO 2 в атмосфері, слід віднести зростання середньої температури в XX столітті, що повинно було відбиватися в прискоренні перегнивання органічних залишків і, внаслідок прогрівання океанів, в зниженні загальної кількості діоксиду вуглецю, що розчиняється у воді. Збільшення температури відбувалося в тому числі через виключно високу сонячну активність в цей період і в XIX столітті (див., наприклад, подія Каррінгтона 1859 року) .
При переході від умов холодного до теплого клімату протягом останнього мільйона років, природна зміна концентрації атмосферного CO2 залишалася в межах 100 ppm, тобто сумарне збільшення його вмісту не перевищувало При цьому, наприклад, середня температура планети в період кліматичного оптимуму 9000÷5000 років до н. е. була приблизно на 1-2 °C вища від сучасної, а внаслідок сильніше вираженого парникового ефекту в умовах теплого клімату середньорічна аномалія температури в субарктичних широтах сягала 9 °C .
Вплив вулканізму
Сучасний вулканізм в середньому призводить до виділення 2 тонн CO2 на рік, що становить менш як 1 % від антропогенних викидів Основна відмінність цього виду емісії від антропогенної полягає в тому, що при спалюванні викопних енергоносіїв у повітрі відбувається заміщення молекул кисню молекулами вуглекислого газу, тобто сумарне збільшення маси атмосфери відповідає масі спаленого вуглецю, тоді як при вулканічних виверженнях відбувається збільшення маси атмосфери на величину, що дорівнює масі виділеного газу.
Вуглекислий газ — другий за кількістю (після водяної пари) газ, що виділяється вулканами. Більшість газу, який виділяють підводні вулкани, розчиняється у Ізотопний склад діоксиду вуглецю, що виділяється, приблизно відповідає ізотопному складу атмосферного CO2, який утворюється в результаті спалювання викопних енергоносіїв, що ускладнює точне визначення об'єму вулканічної емісії
Великі вулканічні виверження можуть призводити до значного виділенню діоксиду вуглецю в атмосферу, але такі виверження відбуваються рідко — кілька подій на століття — і в середньому не роблять помітного впливу на рівень емісії цього газу в атмосферу. Наприклад, при виверженні вулкана Лакі 1783 року виділилося приблизно 90 млн тонн CO2, при виверженні Тамбори 1815 близько 48 млн Окремі дослідження вказують на дещо більше виділення двоокису вуглецю під час вищезгаданих виверженнь (Лакі 1783 ≈6,5 т), але відносна рідкість подібних подій робить їх вплив на вміст вуглекислого газу несуттєвим і в цьому
Останнім виверженням категорії VEI 6 було виверження вулкана Пінатубо 1991 року. Його основний вплив на вміст вуглекислого газу в атмосфері полягав у виділенні аерозолів у стратосферу і, як наслідок, у порушенні балансу вуглецевого циклу через зниження на 0,5 °C середньої температури на планеті унаслідок антипарникового ефекту. Збільшення амплітуди сезонних коливань на графіку Кілінга в цей період часу вказує на деяке поліпшення умов для здійснення фотосинтезу рослинами на початку 1990-х років. Останнє можна пояснити ефектом розсіювання сонячного випромінювання на частинках стратосферного аерозолю, що і призвело до збільшення споживання атмосферного CO2
«Негативна» емісія вуглецю Можливість «негативної емісії», тобто вилучення вуглекислого газу (CO2) з атмосфери є, станом на 2023 рік, можливою, та, поки що, недостатньо ефективною для повного і швидкого вирішення проблеми, але необхідною вже сьогодні для зменшення глобального потепління, покращення емісійного бюджету CO2 і сприяння сталому розвитку. Наприклад, негативної емісії можливо досягти завдяки біоенергетиці з уловлюванням та зберіганням вуглецю (BECCS), технології прямого захоплення повітря (DAC), залісненню/лісовідновленню та технології посиленого вивітрювання.
Сучасна концентрація