Кусок хлеба
Есть ли в нём углерод?
Да: хлеб делают из пшеничной муки, а пшеница — растение.
Где он был раньше?
В растении пшеницы, которое, в свою очередь, взяло его из воздуха, пока росло.
Что нужно принести
Короткое напоминание: вещество может измениться при химическом превращении, но атомы, из которых оно состоит, не появляются и не исчезают. На этом уроке мы следим только за одним видом атомов — углеродом — и спрашиваем, где он находится.
Объяснение
Читать объяснение
Что мы видим
Вспомни три вещи, которые ты сегодня трогал или делал.
Воздух, который ты выдыхаешь
Есть ли в нём углерод?
Да: в выдыхаемом воздухе больше углекислого газа ($\mathrm{CO_2}$), чем во вдыхаемом.
Где он был раньше?
В том, что ты съел. Теперь он переходит в воздух.
Пластиковая бутылка
Есть ли в нём углерод?
Да.
Где он был раньше?
Выясни: из какого сырья делают пластик этой бутылки?
Во всех трёх случаях углерод не появился там сам по себе: раньше он был в другом месте и пришёл каким-то путём. Это и есть вопрос всего урока: в каких местах планеты находится углерод, сколько его в каждом и как долго он там остаётся?
Резервуар и поток
Чтобы ответить, нужны два слова, которыми мы будем пользоваться на протяжении всего блока.
Резервуар
$\mathrm{GtC}$Что это
Место, где накапливается углерод и где можно измерить, сколько его там.
Что измеряют
Массу: сколько углерода там хранится. Это накопленная величина — снимок одного момента.
Пример: в атмосфере содержится $591\ \mathrm{GtC}$.
Поток
$\text{GtC/год}$Что это
Переход углерода из одного резервуара в другой.
Что измеряют
Массу за единицу времени: сколько углерода переходит каждый год. Описывает то, что происходит сейчас.
Пример: фотосинтез переносит $113\ \text{GtC/год}$ из атмосферы в растения.
Значения из примера: IPCC (2021), AR6 WG1, гл. 5, рисунок 5.12. Это доиндустриальные значения, примерно 1750 года.
Единица $\mathrm{GtC}$ читается «гигатонна углерода». Гигатонна — это миллиард тонн:
$$1\ \mathrm{GtC} = 1\,000\,000\,000\ \text{тонн углерода}$$
Разница между этими двумя величинами важна. Сказать «в атмосфере 113» или «фотосинтез забирает 591» — значит смешать хранимое количество с количеством, которое перемещается за год, и тогда расчёты теряют смысл.
Подсказка: если в единице есть «в год», это поток.
Где находится углерод
| Резервуар | Что содержит | Масса углерода | Время пребывания | Быстро или медленно? |
|---|---|---|---|---|
| Атмосфера | Углерод в газах воздуха, главным образом в $\mathrm{CO_2}$ | $591\ \mathrm{GtC}$ | около 3,5 года (оценка) | Быстро: годы |
| Растительность | Углерод в стволах, листьях и корнях | $450\ \mathrm{GtC}$ | около 4 лет (оценка) | Быстро: годы |
| Почвы | Остатки растений и других живых организмов, смешанные с землёй | $1700\ \mathrm{GtC}$ | — | — |
| Океан | Углерод, растворённый в морской воде и содержащийся в морских организмах | около $38\,700\ \mathrm{GtC}$ (сумма частей: 900 + 37 100 + 700 + 3) | около 700 лет (оценка) | Средне: века |
| Ископаемое топливо | Уголь, нефть и природный газ под землёй | $928\ \mathrm{GtC}$ в запасах (580 + 230 + 118) | миллионы лет | Медленно |
| Горные породы | Углерод в горных породах, например в известняке | около $65\,500\ \mathrm{GtC}$ | миллионы лет | Медленно |
На что обратить внимание в таблице:
- Запасы ископаемого топлива — это то, что считается возможным добыть. Под землёй ископаемого углерода больше.
- Масса океана — это сумма четырёх частей, которые IPCC приводит отдельно. Почти весь этот углерод находится в промежуточных и глубинных слоях.
- По оценке NASA, медленный круговорот — круговорот горных пород — занимает от 100 до 200 миллионов лет.
А вот некоторые природные потоки, которые связывают эти резервуары:
| Поток | Откуда | Куда | Углерод, переходящий за год |
|---|---|---|---|
| Фотосинтез | Атмосфера | Растительность | $113\ \text{GtC/год}$ |
| Дыхание и пожары | Растительность и почвы | Атмосфера | $111{,}1\ \text{GtC/год}$ |
| Из воздуха в море | Атмосфера | Океан | $54{,}0\ \text{GtC/год}$ |
| Из моря в воздух | Океан | Атмосфера | $54{,}6\ \text{GtC/год}$ |
| Вулканизм | Горные породы | Атмосфера | $0{,}1\ \text{GtC/год}$ |
Как именно углерод переходит в каждом потоке (что происходит с веществом), разбирается на уроке 4. Пока достаточно знать, откуда он выходит, куда приходит и сколько его переходит за год.
Время пребывания
Представь бак с водой, в который вода поступает из крана и уходит через слив. Вода внутри — это запас; он соответствует массе резервуара. То, что вытекает через слив за минуту, — это расход; он соответствует потоку оттока.
| Бак с водой | Резервуар углерода | |
|---|---|---|
| Накопленное | Литры в баке | Масса углерода, в $\mathrm{GtC}$ |
| Что уходит | Литры в минуту | Поток оттока, в $\text{GtC/год}$ |
| Сколько в среднем остаётся | Минуты | Годы |
Если в баке 1000 литров, а вытекает 100 литров в минуту, то за 10 минут вытечет столько воды, сколько всего было. Это и есть время пребывания: сколько времени в среднем каждая часть содержимого проводит внутри резервуара.
$$\tau = \frac{M}{F_{\text{выход}}}$$
где $\tau$ (греческая буква «тау») — время пребывания, $M$ — масса резервуара, а $F_{\text{выход}}$ — поток, который из него выходит. Для атмосферы по данным таблиц:
$$\tau_{\text{атм}} = \frac{591\ \mathrm{GtC}}{(113 + 54{,}0)\ \text{GtC/год}} = \frac{591\ \mathrm{GtC}}{167\ \text{GtC/год}} \approx 3{,}5\ \text{лет}$$
Обрати внимание на единицы: $\mathrm{GtC}$ в числителе и знаменателе сокращаются, и остаются годы. Если в твоём расчёте остаются другие единицы, значит, что-то составлено неправильно.
Два уточнения к этому расчёту:
- Это оценка. Источники дают массы и потоки, а не времена пребывания, так что расчёт сделали мы сами. Кроме того, он предполагает, что содержимое резервуара хорошо перемешано.
- То, что углерод атмосферы обновляется примерно за 3,5 года, не значит, что избыток $\mathrm{CO_2}$ исчезает за 3,5 года. Это время показывает, как быстро каждый атом меняет место, а не за сколько резервуар возвращается к норме. Эта разница разбирается на уроке 5.
Прежде чем выйти из выхлопной трубы
Работающий автомобиль выбрасывает $\mathrm{CO_2}$ через выхлопную трубу. Многие думают, что этот углерод возник в двигателе, но горение не создаёт атомы углерода: оно берёт их откуда-то.
Подумай, прежде чем открыть: в каком резервуаре из таблицы находился углерод, который выходит из этой трубы?
Посмотреть ответ, чтобы сравнить со своим
Он был в бензине, который делают из нефти, а нефть входит в резервуар ископаемого топлива. При сгорании бензина этот углерод переходит в атмосферу. Нового углерода на планете не появляется: есть углерод, который сменил резервуар. К тому же, судя по таблице, он выходит из резервуара, где остаётся миллионы лет, и попадает в тот, где обновляется за несколько лет.
Исследование
Прежде чем трогать: выбери резервуар, который, как тебе кажется, обновляет свой углерод быстрее всех, и запиши его. Потом передвинь его в симуляторе и проверь, угадал ли ты.
Данные симулятора: массы и потоки — IPCC (2021), AR6 WG1, гл. 5, рис. 5.12; горные породы — NASA Earth Observatory, The Carbon Cycle; «миллионы лет» — Ciclo de carbono.pdf, слайд 9. Времена пребывания — оценки, рассчитанные как масса ÷ поток оттока. Там, где источники не дают поток оттока, симулятор показывает «нет данных» и не выдумывает число.
В завершение: установи время 10 лет и сравни атмосферу с океаном. В каком больше углерода? Через какой прошло больше углерода по сравнению с тем, что он хранит? Напиши одним предложением, почему в этих двух ответах резервуары разные.
Анимация
Описание анимации
Почти весь углерод планеты находится в горных породах — около шестидесяти пяти тысяч пятисот гигатонн. Дальше идёт океан — около тридцати восьми тысяч семисот. Ископаемое топливо — девятьсот двадцать восемь, атмосфера — пятьсот девяносто одна, растительность — четыреста пятьдесят.
Уточнение к графику: столбики построены не в пропорциональном масштабе, а в масштабе квадратного корня. Если бы они были пропорциональными, рядом с горными породами последние три были бы буквально не видны.
Но важен не только размер резервуара. Важно и то, как быстро он обновляется, то есть сколько времени в среднем атом углерода проводит внутри, прежде чем сменить место. И здесь порядок переворачивается: в горных породах и ископаемом топливе — миллионы лет. В океане — около семисот. В растительности — около четырёх. А в атмосфере — всего три с половиной года.
То есть самый большой резервуар как раз меньше всех движется, а самый быстрый — один из самых маленьких.
Это сочетание — ключ ко всему разделу. Поскольку углерода в воздухе относительно мало и он быстро обновляется, даже небольшого в абсолютных числах поступления хватает, чтобы сдвинуть его уровень. Поэтому перенос углерода из горных пород и ископаемого топлива — медленных резервуаров — в воздух, быстрый резервуар, так сильно всё меняет.
Источники анимации: IPCC (2021), AR6 WG1, рис. 5.12, доиндустриальные значения. Времена пребывания — учебная оценка, рассчитанная как масса, делённая на поток оттока. Схема, не в реальном масштабе: столбики даны в масштабе квадратного корня.
Симуляторы для этого урока
Дополнительно: интерактивные симуляторы по теме этого урока. Можно открыть до или после объяснения.
Листы для скачивания (на испанском)
Где находится углерод
Резервуар и поток
Задания
1. Два способа упорядочить
Используй таблицу «Где находится углерод».
- Расположи шесть резервуаров от большей массы к меньшей.
- Расположи резервуары от большего времени пребывания к меньшему. Для почв данных нет: отложи их отдельно и запиши почему.
- Ты сравниваешь два списка и видишь, что они не совпадают. Объясни письменно почему, используя формулу $\tau = M / F_{\text{выход}}$ и хотя бы одну пару резервуаров из таблицы в качестве примера. В объяснении должно быть сказано, какая ещё величина, кроме массы, определяет время пребывания.
2. Где находится большая часть углерода?
Напиши ответ, разделённый на три части. Доказательствами считаются только данные из таблиц этого урока со ссылкой на источник.
Самопроверка
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение — и при верном, и при неверном ответе: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…