Что нужно принести
Короткое напоминание: резервуары измеряются в $\mathrm{GtC}$, а потоки — в $\text{GtC/год}$ (урок 3). Углерод ископаемого топлива попал под землю по медленному контуру, за миллионы лет, а при сгорании переходит в быстрый контур (урок 4).
Объяснение
Читать объяснение
Динамическое равновесие
Вернись к баку с краном и сливом из урока 3. Если поступает 100 литров в минуту и уходит 100 литров в минуту, уровень не меняется, хотя вода всё время движется. Это динамическое равновесие: оно не значит, что ничего не движется, оно значит, что поступает столько же, сколько уходит.
Для любого резервуара изменение его массы за промежуток времени зависит от разности между тем, что поступает, и тем, что уходит:
$$\frac{\Delta M}{\Delta t} = F_{\text{вход}} - F_{\text{выход}}$$
где $\Delta M$ — на сколько изменилась масса резервуара (в $\mathrm{GtC}$), $\Delta t$ — прошедшее время (в годах), а потоки измеряются в $\text{GtC/год}$.
Три случая
| Случай | Что показывает расчёт | Что происходит с массой резервуара | Бак |
|---|---|---|---|
| Поступает больше, чем уходит | $F_{\text{вход}} - F_{\text{выход}} > 0$ | Растёт | Уровень поднимается |
| Поступает столько же, сколько уходит | $F_{\text{вход}} - F_{\text{выход}} = 0$ | Не меняется, хотя углерод продолжает циркулировать | Уровень стоит на месте |
| Поступает меньше, чем уходит | $F_{\text{вход}} - F_{\text{выход}} < 0$ | Уменьшается | Уровень опускается |
Случай атмосферы
В 2010–2019 годах деятельность человека в среднем добавляла в атмосферу такие потоки:
| Антропогенный поток | Откуда | Куда | $\text{GtC/год}$ |
|---|---|---|---|
| Сжигание ископаемого топлива и производство цемента | Ископаемое топливо (и горные породы — в случае цемента) | Атмосфера | $9{,}4 \pm 0{,}5$ |
| Изменение землепользования | Растительность и почвы | Атмосфера | $1{,}6 \pm 0{,}7$ |
| Дополнительное чистое поглощение океаном | Атмосфера | Океан | $25{,}5 - 23 = 2{,}5$ |
| Дополнительное чистое поглощение сушей | Атмосфера | Растительность и почвы | $29 - 25{,}6 = 3{,}4$ |
| Средний прирост в атмосфере | Что остаётся | $5{,}1$ | |
Применяем модель к атмосфере с этими числами:
$$\frac{\Delta M_{\text{атм}}}{\Delta t} = \underbrace{(9{,}4 + 1{,}6)}_{\text{доп. вход}} - \underbrace{(2{,}5 + 3{,}4)}_{\text{доп. выход}} = 11{,}0 - 5{,}9 = 5{,}1\ \text{GtC/год}$$
Расчёт даёт ровно тот прирост, который показан на рисунке: поступает больше, чем уходит, поэтому масса атмосферы растёт. Океан и растительность забирают чуть больше половины выброшенного, но не всё.
Что изменилось с 1750 года
| Резервуар | Накопленное изменение с 1750 года | Получил или потерял углерод? |
|---|---|---|
| Ископаемое топливо | $-445\ \mathrm{GtC}$ | Потерял |
| Растительность и почвы | $-25\ \mathrm{GtC}$ | Немного потерял |
| Атмосфера | $+279 \pm 5\ \mathrm{GtC}$ | Получил |
| Океан | $+173 \pm 23\ \mathrm{GtC}$ | Получил |
| Сумма | $-445 - 25 + 279 + 173 = -18\ \mathrm{GtC}$ | Почти ноль: разница меньше погрешности для океана ($\pm 23$) |
Что потеряли одни резервуары, то получили другие. Деятельность человека не добавила планете углерода: она изменила распределение и скорость, забрав углерод из медленного резервуара (ископаемое топливо) и поместив его в быстрые (атмосферу и океан).
Твой учебный материал показывает то же в другом масштабе: концентрация $\mathrm{CO_2}$ в воздухе достигла 414,7 ppm в 2021 году, тогда как максимум за предыдущие 800 000 лет составлял 300 ppm (Ciclo de carbono.pdf, слайд 10; NOAA Climate.gov по данным NCEI).
А если прекратить выбросы?
При нулевых выбросах дополнительный углерод перестаёт поступать, но уже накопленный не исчезает: он должен уйти через чистые потоки в океан и на сушу, а они составляют всего несколько $\text{GtC/год}$ ($2{,}5$ и $3{,}4$) против $279\ \mathrm{GtC}$ накопленных. Поэтому концентрация не возвращается сразу к прежнему значению.
Исследование
Прежде чем трогать: поставь поток на 0 и подумай, что должно произойти с атмосферой. Потом постепенно увеличивай его.
Как считает симулятор: из каждых $11{,}0\ \text{GtC}$, выброшенных за год, он оставляет $5{,}1$ в атмосфере, отправляет $2{,}5$ в океан и $3{,}4$ на сушу — это пропорции 2010–2019 годов. Это упрощение: предполагается, что пропорции не меняются, и не показано, что происходит после прекращения выбросов.
Данные симулятора: IPCC (2021), AR6 WG1, гл. 5, рис. 5.12 (антропогенные потоки 2010–2019 годов и запасы ископаемого топлива 928 GtC). Кривые — учебный расчёт, а не опубликованные прогнозы.
В завершение: при каком потоке кривая атмосферы становится горизонтальной? Что это говорит о разнице между притоком и оттоком?
Анимация
Описание анимации
До середины XVIII века углерод, поступавший в атмосферу каждый год, был примерно равен уходящему. Резервуар находился в равновесии, и концентрация держалась около двухсот восьмидесяти частей на миллион.
С тех пор появился новый приток, которого раньше не было: углерод, миллионы лет хранившийся в медленном контуре — в ископаемом топливе, — извлекают и сжигают, переводя его в быстрый контур.
Результат измерим: с двухсот восьмидесяти частей на миллион концентрация выросла до более чем четырёхсот двадцати.
Здесь стоит разобрать ошибку, которая всегда всплывает в спорах. Да, вулканы тоже выбрасывают углекислый газ; но неправда, что они выбрасывают сопоставимое количество. Они выбрасывают примерно в сто раз меньше, чем деятельность человека.
И есть кое-что ещё важнее. Проблема не в том, что существует приток: притоки были всегда, и круговорот их учитывал. Проблема в том, что у этого притока нет оттока, который компенсировал бы его в том же темпе. Фотосинтез и океан поглощают часть, но не всё.
Поэтому правильно говорить не о том, что планете добавили углерода — углерод был всегда. Нарушено распределение: углерод переходит из медленного контура в быстрый гораздо быстрее, чем медленный контур может его вернуть.
Источники анимации: NOAA Global Monitoring Laboratory, данные Мауна-Лоа и ледяных кернов — для концентраций; USGS, Volcanic Gases and Climate Change — для сравнения с вулканическими выбросами. Схема, не в реальном масштабе.
Симуляторы для этого урока
Дополнительно: интерактивные симуляторы по теме этого урока. Можно открыть до или после объяснения.
Листы для скачивания (на испанском)
Что изменилось с 1750 года
Задания
1. Прочитать график накопленной массы
- На каждом участке (A, B, C и D) приток был больше, равен или меньше оттока? Используй таблицу трёх случаев.
- На каком участке разница между притоком и оттоком была наибольшей? Как это видно на рисунке?
- На участке B углерод стоял на месте? Объясни с помощью идеи динамического равновесия.
2. Создаёт ли сжигание ископаемого топлива новый углерод?
Защити или опровергни утверждение: «сжигание ископаемого топлива создаёт новый углерод». Доказательствами считаются только данные из таблиц этого урока со ссылкой на источник.
3. Итог: откуда и куда
Заполни в тетради: углерод, которого сегодня в атмосфере в избытке, вышел главным образом из резервуара ____________ (урок 3), куда он попал по ____________ контуру (урок 4), и сегодня распределяется между ____________, ____________ и ____________.
Самопроверка
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…