Sự biến động theo mùa của CO2 • Alexey Gilyarov • Các nhiệm vụ khoa học phổ biến về “Yếu tố” • Sinh thái học

Các biến thể theo mùa CO 2

Không khí, như được biết đến, bao gồm nitơ phân tử (78%), oxy phân tử (21%), argon (1%), một lượng nhỏ hơi nước và một số chất có hàm lượng được đo bằng phần trăm và phần nghìn của một phần trăm. Trong số đó là carbon dioxide, hoặc, như các nhà khoa học thích gọi nó, carbon dioxide (CO2). Để thuận tiện, nội dung của CO2 trong không khí, nó được ước tính không theo tỷ lệ phần trăm (phần trăm), nhưng tính bằng ppm, được biểu thị bằng chữ cái Latin ppm (một phần triệu). Hàm lượng carbon dioxide trong bầu khí quyển của Trái đất trong toàn bộ lịch sử tồn tại của nó đã biến động trong giới hạn khá rộng (xem: 300 triệu năm trước có nhiều khí carbon dioxide trong khí quyển hơn bây giờ). Bây giờ nồng độ của nó được ước tính là 380-390 ppm (hoặc 0,038-0,039%), mặc dù 50 năm trước đây nó chỉ là 310-320 ppm. Lý do chính cho sự phát triển của carbon dioxide trong khí quyển trong thế kỷ qua là phát thải từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch (dầu, than, khí đốt), cũng như phá rừng.

Sự tồn tại của sự sống trên Trái đất được kết nối chặt chẽ với sự hiện diện của carbon dioxide trong khí quyển. Thứ nhất, carbon dioxide, cùng với hơi nước và khí mê-tan, tạo ra hiệu ứng nhà kính – đảm bảo việc giữ nhiệt, tỏa nhiệt trái đất được làm nóng bằng tia mặt trời.Nếu không có khí nhà kính trong khí quyển, thì nhiệt độ không khí trung bình hàng năm ở bề mặt Trái đất sẽ không được + 15 ° C, như bây giờ, nhưng -23 ° C.

Thứ hai, carbon dioxide là nguồn carbon cho tất cả các loài thực vật xanh, tảo vi sinh vật phù du và vi khuẩn lam. Sử dụng năng lượng của ánh sáng mặt trời, tất cả các sinh vật này trong quá trình quang hợp tạo ra chất hữu cơ từ carbon dioxide và nước, và phát ra oxy như một sản phẩm phụ. Bản chất của quá trình quang hợp được phản ánh bởi một phương trình đơn giản:

CO2 + H2O + năng lượng → (CH2O) + O2,

ở đâu (CH2O) – công thức tổng hợp của chất hữu cơ.

Tuy nhiên, nếu trong quá trình quang hợp, carbon dioxide bị ràng buộc (tương ứng, loại bỏ khỏi khí quyển), sau đó trong quá trình hô hấp khác – nó được giải phóng một lần nữa:

(CH2O) + O2 → CO2 + H2O + năng lượng.

Trong sinh quyển hiện đại, đại đa số các sinh vật nhận năng lượng mà chúng cần một cách chính xác trong quá trình hô hấp hiếu khí – sự oxy hóa chất hữu cơ bằng oxy. Do đó, hoạt động quan trọng của nhiều sinh vật chính là nguồn cacbon dioxit quan trọng. Sự đóng góp lớn nhất được thực hiện bởi sự hô hấp của nấm và vi khuẩn, mà phân hủy chất chết của các mô thực vật, và cũng là sự hô hấp của thực vật bản thân (chủ yếu là rễ).

Bây giờ các nhà khoa học đã học được cách đo chính xác nồng độ carbon dioxide trong không khí. Ở các điểm đa dạng nhất trên thế giới, từ Alaska đến Nam Cực, có những trạm đặc biệt, nơi tất cả các thay đổi về hàm lượng CO được theo dõi trong suốt cả năm.2. Dữ liệu thu thập được cho phép chúng tôi xây dựng một biểu đồ ba chiều cho thấy sự phụ thuộc của lượng carbon dioxide trong không khí cùng một lúc trên hai tham số – vĩ độ địa lý của trạm và thời gian trong năm (xem Hình 1).

Hình 1. Thảm này với nếp gấp là không có gì nhiều hơn một đồ thị ba chiều cho thấy những thay đổi theo mùa trong nội dung của carbon dioxide trong khí quyển ở các vĩ độ khác nhau. Theo chiều dọc nồng độ carbon dioxide (tính bằng ppm, ppm) được vẽ. Trên trục ngang bên trái – vĩ độ địa lý: từ Cực Nam đến 82 ° c. sh. Ở bên phải – thời gian từ tháng 9 năm 1988 đến tháng 9 năm 1992. Các dòng của "thảm" chạy dọc theo trục thời gian kết nối các điểm thuộc cùng một vĩ độ (được vẽ mỗi 10 °). Các đường chạy vuông góc, dọc theo trục của vĩ độ địa lý, kết nối các điểm có liên quan đến cùng một ngày. Biểu đồ dựa trên dữ liệu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge.Từ cuốn sách: Tyler Volk Cơ thể Gaia. Hướng tới triết lý của trái đất. New York: Copernicus. Springer. 1998

Nhiệm vụ

Xem xét cẩn thận biểu đồ trên của những thay đổi theo mùa trong khí carbon dioxide trong khí quyển ở các vĩ độ khác nhau. Lưu ý rằng đối với Bắc bán cầu, đặc biệt là – khu vực vĩ ​​độ cao, biến động mạnh bất thường trong nội dung của CO2. Các giá trị tối đa được ghi nhận vào mùa xuân – trong tháng Tư-tháng Năm, và tối thiểu – vào mùa thu, vào tháng Chín-tháng Mười. Ở bán cầu nam, những thăng trầm của CO2 cũng được quan sát, nhưng trong antiphase với những gì đang xảy ra ở Bắc bán cầu, và quan trọng nhất – với một biên độ rất nhỏ.
Nhiệm vụ Cố gắng giải thích hình ảnh kết quả. Tại sao hàm lượng carbon dioxide biến động quá nhiều trong năm và tại sao phạm vi biến động cao hơn nhiều ở Bắc bán cầu hơn ở miền Nam?

Nếu bạn cảm thấy khó hiểu đồ họa ba chiều được hiển thị ở trên, hãy xem thêm một hình nữa (Hình 2). Nó được định hướng theo một cách khác: bán cầu nam gần hơn với bạn, và miền Bắc – xa hơn. Đây là những năm khác, nhưng bản chất của những thay đổi theo mùa ở các vĩ độ khác nhau là như nhau: ở Nam bán cầu, chúng được biểu hiện rất yếu, ở miền Bắc – mạnh mẽ.

Hình 2 Các biến thể theo mùa trong nội dung CO2 (giá trị được vẽ theo chiều dọc trong ppm) trong bầu khí quyển ở các vĩ độ khác nhau từ 1981–84. Thay đổi từ 60 ° S được hiển thị. sh. đến 60 ° c. sh. Con số này cũng cho thấy rõ rằng các biến động theo mùa của biên độ rất lớn được quan sát thấy ở Bắc bán cầu, và không đáng kể ở miền Nam. Từ: Conway, T.J., và cộng sự, 1988 // Tellus. V. 40, P. P. 81-115


Mẹo 1

Như một gợi ý, tôi khuyên bạn nên lấy quả địa cầu (thậm chí một cái bị hỏng, tốt hơn, rơi ra khỏi chân đế) và nhìn kỹ nó từ Bắc Cực và từ phía Nam. Dưới đây là cặp bản vẽ tương ứng (Hình 3). Bạn cần phải hiểu sự khác biệt giữa bán cầu Bắc và Nam và cách những khác biệt này có thể ảnh hưởng đến quá trình hấp thu và giải phóng carbon dioxide.

Hình 3 Đây là những gì thế giới của chúng tôi trông giống như nếu bạn nhìn nó từ Bắc Cực (bên trái) hoặc Nam Cực (bên phải). Có thể thấy rằng ở Bắc bán cầu không gian đáng kể bị chiếm đóng bởi các lục địa, và ở miền Nam – đại dương. Xanh lục sản xuất chính (số lượng chất hữu cơ được sản xuất mỗi năm) của thảm thực vật trên cạn và thực vật phù du đại dương được thể hiện. Màu tối hơn, giá trị của sản xuất chính càng lớn. Màu nâu khu vực nơi sản phẩm rất thấp được hiển thị (chỉ đơn giản là không có thảm thực vật). Màu trắng cho thấy băng che phủ của Bắc Băng Dương và Nam Cực


Mẹo 2

Nhìn vào biểu đồ những thay đổi theo mùa về hàm lượng cácbon thu được trong những năm gần đây tại Đài thiên văn Vật lý thiên văn Mauna Loa trên đảo Hawaii (Hình 4). Mặc dù nó chỉ là 20 °. w., CO biến động nồng độ2 thể hiện rất rõ ràng. Nồng độ cao nhất được ghi nhận vào tháng 5, mức thấp nhất – trong tháng 9-10.

Hình 4 Sự thay đổi trong khí carbon dioxide trong khí quyển (CO2) trong vài năm qua, theo một đài thiên văn ở núi lửa Mauna Loa (đảo Hawaii). Hàm lượng CO2 thể hiện bằng phần triệu (ppm). Đường màu đỏ – dữ liệu trung bình hàng tháng (biến động theo mùa được hiển thị rõ ràng: tối đa xảy ra vào tháng 5, mức tối thiểu trong tháng 9 – tháng 10). Đường màu đen – đường cong được vẽ bằng dữ liệu trung bình. Nó phản ánh xu hướng chung của việc tăng hàm lượng CO.2 trong những năm gần đây. Dữ liệu về Quản lý khí quyển và đại dương quốc gia (NOAA). Biểu đồ được sao chép trên trang web của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hệ thống Trái đất.


Giải pháp

Có lẽ bạn đã thu hút sự chú ý đến thực tế rằng Bắc bán cầu chủ yếu là lục địa (bvềphần lớn là đất), và phía Nam là đại dương (ở trung tâm là Nam Cực phủ đầy băng, và xung quanh là một dải rộng lớn của đại dương). Chúng ta có thể giả định rằng đất đai và đại dương khác nhau về cường độ của các quá trình liên kết và giải phóng carbon dioxide. Từ biểu đồ các thay đổi theo mùa trong nồng độ CO2thu được trên Mauna Loa (Hình 4), sau đó trong những tháng mùa hè ở Bắc bán cầu lượng khí này giảm rất nhiều (mức tối thiểu đạt được vào mùa thu), và trong những tháng mùa đông nó phát triển và đạt tối đa vào mùa xuân. Bây giờ không khó để đoán rằng việc giảm lượng khí carbon dioxide trong mùa hè là do hoạt động của thực vật, cụ thể là quang hợp, trong đó CO2 tiêu thụ. Tăng trưởng thực vật, tăng khối lượng lá, thân và rễ là do carbon, được hấp thụ bởi chúng từ không khí dưới dạng carbon dioxide.

Nếu quang hợp có trách nhiệm loại bỏ carbon dioxide ra khỏi khí quyển, thì sự hấp thu của nó là sự hô hấp của tất cả các sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn và nấm, phân hủy chất hữu cơ của thực vật chết. Hít thở xảy ra vào mùa xuân, và vào mùa hè, và vào mùa thu, và với cường độ nhỏ – vào mùa đông, ít nhất là ở những nơi nhiệt độ dương vẫn tồn tại.Mùa sinh trưởng (tăng trưởng thực vật tích cực) ở các vĩ độ ôn đới và cao được giới hạn vào cuối mùa xuân – đầu mùa hè. Nhưng khi đó lượng carbon dioxide bị ràng buộc bởi các cây trồng nhanh chóng vượt quá đáng kể lượng phát thải trong quá trình hô hấp của tất cả các sinh vật. Đó là lý do tại sao tại thời điểm này, chúng tôi quan sát thấy sự suy giảm nồng độ carbon dioxide trong không khí. Sau đó quang hợp giảm mạnh, và sự thở của tất cả các sinh vật tiếp tục, dẫn đến sự tích lũy CO2. Một nguồn carbon dioxide bổ sung hoạt động quanh năm là đốt các nhiên liệu hóa thạch của con người.

Ở đây người đọc được quyền lưu ý rằng các quá trình quang hợp và hô hấp diễn ra không chỉ trên đất liền mà còn ở đại dương. Tại sao trên đại dương, chúng tôi không quan sát những thay đổi đáng kể trong nội dung của CO2 trong không khí? Sau khi tất cả, quang hợp hoạt động mạnh nhất xảy ra trên biển cũng vào mùa xuân và đầu mùa hè, khi nó trở nên ấm áp, và quan trọng nhất – ánh sáng, và khi nước cũng chứa khá nhiều chất dinh dưỡng khoáng (nitơ và phốt pho ở dạng dễ tiếp cận). Trên thực tế, sự biến động theo mùa trong nồng độ carbon dioxide ở miền Nam, đại dương, bán cầu cũng tồn tại, nhưng chúng tự nhiên xảy ra trong phản kháng với những gì đang xảy ra ở miền Bắc.Thật tuyệt vời tại sao họ có một biên độ nhỏ như vậy. Một số cơ chế có thể hoạt động ở đây.

Đầu tiên, đại dương (kể cả các lớp trên của nó) có công suất nhiệt rất lớn, giúp làm mịn các biến đổi theo mùa về nhiệt độ so với những gì đang diễn ra trên đất liền. Thứ hai, carbon dioxide hòa tan tốt trong nước (tốt hơn trong lạnh hơn trong ấm) – đó là, có một cơ chế hóa lý của CO ràng buộc.2; tuy nhiên, các lớp bề mặt của đại dương có thể và cho CO2 bầu không khí trong trường hợp áp suất thấp một phần ở đó. Thứ ba, và điều này có lẽ là điều quan trọng nhất – giá trị của sản xuất nguyên chất thuần túy, đó là lượng chất hữu cơ được sản xuất trong quá trình quang hợp bởi sinh vật tự dưỡng trên một đơn vị đất đai cao hơn khoảng 2,5 lần so với đại dương. Thực vật phù du không thể đảm bảo rằng lượng CO đó được loại bỏ khỏi môi trường.2, loại bỏ thảm thực vật trên cạn của các vĩ độ ôn đới và phía bắc. Những biến động về hàm lượng các-bon được tìm thấy bởi đài quan sát trên Mauna Loa được xác định chủ yếu bởi tính mùa vụ trong sự phát triển của thảm thực vật của châu Âu và Bắc Mỹ.


Lời nói

Trong thực tế, không khí rất di động so với nước. Câu hỏi không tự nguyện nảy sinh: tại sao sự pha trộn khối lượng không khí không căn chỉnh hàm lượng carbon dioxide trong bầu khí quyển của Trái đất? Ở đây nó là cần thiết để nhắc nhở rằng không khí di chuyển dễ dàng và nhanh chóng theo hướng vĩ độ, nhưng không theo hướng kinh tuyến. Do đó, ở quần đảo Hawaii, người ta có thể quan sát kết quả phát triển thảm thực vật theo mùa trên các lục địa xa xôi. Nhưng theo hướng "bắc – nam", chúng ta thấy sự tồn tại của những khác biệt nghiêm trọng trong nội dung của CO2 tại các vĩ độ khác nhau. Cấu trúc tế bào của lưu thông không khí cản trở việc vận chuyển kinh tuyến. Không khí gần đường xích đạo nóng lên mạnh nhất, vì vậy nó tăng lên ở đó, mở rộng, di chuyển về phía bắc và phía nam, dần dần nguội đi và rơi xuống cả hai bán cầu xuống trái đất khoảng 30 °. Sau đó, không khí làm mát này di chuyển gần bề mặt trái đất đến đường xích đạo và đóng lưu thông. Bằng cách này, các tế bào Hadley được hình thành, được đặt tên theo nhà khoa học người Anh thế kỷ 18 George Hadley, người đã mô tả chúng. Sự di chuyển của khối không khí trong mỗi tế bào này làm cho khối lượng không khí lân cận di chuyển xuống và sau đó là bắc và nam (tùy thuộc vào bán cầu).Đây là những tế bào của Ferrell, được đặt tên theo nhà khí tượng học người Mỹ thế kỷ 19 William Ferrell. Sự hiện diện của cấu trúc tuần hoàn tế bào như vậy cản trở sự pha trộn của khối không khí theo hướng kinh tuyến, nhưng không tạo ra những trở ngại cho chuyển động ở vĩ độ.

Hình 5 Sơ đồ tổng quát hóa lý tưởng của tuần hoàn tế bào của khí quyển. Rõ ràng, sự hiện diện của các tế bào như vậy làm cho nó rất khó khăn để chuyển khối lượng không khí theo hướng Bắc-Nam. Theo hướng vĩ độ, khối không khí di chuyển nhanh hơn nhiều so với hướng kinh tuyến. Từ: "Sinh quyển". Sat bài viết / ed. M. S. Gilyarova. M.: Mir, 1972


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: