17.Круговорот углерода в биосфере

Углерод в биосфере Земли часто представлен наиболее подвижной формой СО2. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.

Миграция СО2 в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горючих сланцев, рассеянной органики осадочных горных пород. По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где СО2 переходит в Н2СО3, НСО3'~, (-(V-. Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов (СаСО3) биогенным и абиогенным путем, Возникают мощные толщи известняков. Согласно расчетам советского ученого А. Б. Ронова, отношение захороненного углерода в продуктах фотосинтеза к углероду в карбонатных породах составляет примерно 1 : 4. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

Н пределах суши (рис. 10), где имеется растительность, СО2 атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием СО2. Особое место в современном круговороте углерода занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания СО2 в атмосфере, связанное с ростом промышленности и транспорта

Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газ атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углевого газа. В Мировом океане круговорот углерода усложнен тем, часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода исключается из биологического круговорота и поступает в геологический круговорот веществ.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО2 в атмосфере и развитию парникового эффекта.

Скорость круговорота СО2,, т.е. время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

18. Лучистая(?радиоционная?) энергия в атмосфере и на земной поверхности

Большинство происходящих в атмосфере явлений, изучаемых оптиками и

метеорологами, развиваются за счет лучистой энергии, т.е. энергии,

доставляемой Земле солнечной радиацией. Мощность этой энергии примерно

может быть оценена в 18*1023 эрг/с. Энергетический спектр солнечной

радиации на границе атмосферы близок к спектру абсолютно черного тела с

температурой порядка 60000К (рис.1.[1]).

До того, как солнечное излучение достигнет поверхности, оно проделает

длинный путь через

земную атмосферу, где будет не только рассеяно и ослаблено, но и изменено

по спектральному

Солнечная (коротковолновая) радиация преобразуется, проходя через

атмосферу, в следующие виды радиации: рассеянную (ввиду наличия в атмосфере

различных ионов и молекул газов, частиц пыли происходит рассеяние прямой

солнечной энергии во все стороны; часть рассеянной энергии доходит до

поверхности Земли), отраженную (часть попавшей в атмосферу и на земную

поверхность энергии отражается обратно), поглощенную (происходит

диссоциация и ионизация молекул верхних слоях атмосферы, нагрев воздуха и

самой земной поверхности, тех предметов, которые на ней находятся).

Спектр Солнца

Как видно из рис.1., энергетический спектр излучения близок к спектру

абсолютно черного тела при температуре T(60000К, но не совпадает с ним,

т.к. яркость солнечного диска планомерно уменьшается от его центра к краям.

Наилучшей формой представления распределения энергии в солнечном спектре

является формула В.Г. Кастрова:

l0,(*((=0,021*(-23*exp(-0,0327*(-4)*(([1] (1).

Формулы, описывающей распределение энергии Солнца на поверхности Земли

пока не существует, т.к. в нее должно входить слишком много флуктуирующих

параметров (плотность и высотное распределение газов, альбедо отражающих

поверхностей, температура и т.п.).

Ослабление потоков лучистой энергии в атмосфере

Солнечное излучение, проходя через атмосферу, ослабляется благодаря

эффектам рассеяния и поглощения. Для потоков лучистой энергии атмосфера в

видимой части спектра является мутной средой, т.е. рассеивающей, а в

ультрафиолетовой и инфракрасной - поглощающей и рассеивающей. Световой

поток поглощается в атмосфере, причем количество энергии, дошедшей до

поверхности Земли, можно найти из закона Бугера (закон ослабления света):

I=I0*exp(-[pic])[3] (2),

где I0 - интенсивность падающего излучения (на границе атмосферы), Z0(750

(плоско-параллельная модель атмосферы), H - путь, пройденный светом до

земной поверхности, k(h)- коэффициент поглощения (ослабления) светового

потока, зависящий от высотного распределения плотности, состава атмосферы,

физических и химических свойств газов, частиц, находящихся в атмосфе

Рассмотрим избирательное поглощение лучистой энергии в атмосфере. Любое

вещество имеет свои полосы поглощения (рис.3.[1]). Из газов, входящих

всегда в состав атмосферы, существенным для нас селективным поглощением

обладают лишь O2, O3, CO2 и водяной пар H2O. Кислород вызывает интенсивное

поглощение света

В далекой ультрафиолетовой области для длин волн (<200 нм, с максимумом

поглощения около (=155нм. Поглощение в этой области спектра настолько

велико уже в самых высоких слоях

атмосферы, что солнечные лучи с длиной волны (<200нм не доходят до высот,

доступных для наблюдения с поверхности Земли и самолетов. Кислород также

дает систему полос в видимой области спектра: A (759,4- 70,3 нм; (max=759,6

нм); B (686,8 - 694,6 нм; (max=686,9 нм). Углекислый газ (CO2) - основная

узкая полоса с (max=4,3 мкм, остальные - слишком незначительны, поэтому не

имеют для нас существенного значения. Озон (O3) имеет весьма сложный спектр

поглощения, линии и полосы которого охватывают всю область солнечного

спектра, начиная от крайних ультрафиолетовых лучей и до далекой

инфракрасной области[1]. В земной атмосфере озона мало, он располагается в

виде слоя (10 - 40 км) с центром тяжести на высоте около 22 км, но обладает

сильной поглощательной способностью. Его полосы: п.Гартлея (200 - 320 нм;

(max=255 нм); п.Шапюи (500 - 650 нм; (max=600 нм). Наибольшее значение в

поглощении лучистой энергии в атмосфере имеет водяной пар (H2O), которого

очень много в нашей атмосфере (влажность, облака и т.п.), его полосы

поглощения: ((( (0,926 - 0,978 мкм; (max=0,935 мкм); ( (1,095 - 1,165 мкм;

(max=1,130 мкм); ( (1,319 - 1,498 мкм; (max=1.395); ( (1,762 - 1.977 мкм;

(max=1.870 мкм); ( (2,520 - 2,845 мкм; (max=2,680 мкм). Наиболее точная

формула для расчета величины поглощенной в атмосфере энергии солнечной

радиации имеет вид:

(E=0,156*(m*()0,294 кал/см2* мин.[2] (3),

где m - пройденный лучами путь, ( - общее содержание водяного пара в

вертикальном столбе атмосферы единичного сечения (1 см2). Далее рассмотрим

атмосферные аэрозоли и пыль, их содержание зависит от высоты, они влияют на

уменьшение прозрачности атмосферы.

Рассмотрим отраженную радиацию, т.е. радиацию, которая достигает

земной поверхности, частично отражается от нее и вновь возвращается в

атмосферу. Также отраженная радиация - это и излучение, отраженное от

облаков.

Количество отраженной некоторой поверхностью энергии в сильной мере

зависит от свойств и состояния этой поверхности, длины волны падающих

лучей. Можно оценить отражательную способность любой поверхности, зная

величину ее альбедо, под которым понимается отношение величины всего

потока, отраженного данной поверхностью по всем направлениям, к потоку

лучистой энергии, падающему на эту поверхность;

Рассмотрим рассеянную радиацию. Рассеяние в атмосфере может происходить

на молекулах газов (молекулярное рассеяние) и частицах (крупных ((<>r)), находящихся в атмосфере, оно зависит также и

от наличия облачности. Основы этой теории заложены Рэлеем, но позже она

была усоршенствована другими учеными уже для различных размеров, форм и

свойств частиц. Для анализа явлений рассеяния используют уравнение

переноса излучения; запишем его в векторной форме[3: [pic] (4),

где Si - параметры Стокса (S1=I - суммарная интенсивность, S2=I*p*cos((0),

(0 - угол поворота направления максимальной поляризации относительно

плоскости референции, p - степень линейной поляризации, S3=I*p*sin((0),

S4=I*q, q - степень эллиптичности поляризации),fij - матрица рассеяния. При

молекулярном рассеянии диполи под действием падающей волны начинают

двигаться с ускорением, следовательно излучают волны с частотой падающей

волны, т.е. происходит рассеяние света на данных молекулах. Рассмотрим

коэффициент молекулярного ослабления kMS и учтем, что рассеяние должно

происходить тогда, когда показатель преломления частицы относительно среды

n не равен единице, тогда:

[pic] [3] (5) (( << r),

где N - число частиц в единице объема, ( - длина падающей волны. Также

запишем функцию, показывающую «разбрасывание света по углам»:

fMS(()=3*(MS*(1+cos2(())/(16*()[3] (6),

где (MS - оптическая толща молекулярного рассеяния. Если ввести параметр (,

характеризующий анизотропию молекул, то формула (6) примет вид:

fMS(()=3*(MS*(1+(+(1-()*cos2(())/(16*()[3] (7)

Обычно молекулярный рассеянный свет поляризован:

где Pлин - степень линейной поляризаци

При попадании света на крупные частицы, обычно находящиеся вблизи

поверхности Земли, происходит частичная потеря импульса падающей электро-

магнитной волны, т.е. на молекулу действует световое давление, тогда будем

иметь эффекты дифракции, отражения и преломления, пронукновения электро-

магнитной волны вовнутрь частицы. В результате может возникнуть

интерференция падающей волны и вышедшей из частицы за счет явления

внутреннего отражения. Все эти явления описываются в теории Ми.

Предположения теории Ми: частицы сферические, однородные, не сталкиваются;

атмосфера - плоско-параллельный слой. Т.к. показатель преломления частиц,

описываемых теорией Ми, - комплексный: m=n+(*(, где n - обычный показатель

преломления, ( - характеризует поглощение волны частицей.

В результате рассеяния прямого солнечного излучения в атмосфере, она сама

становится источником излучения, которое достигает земной поверхности в

виде рассеянного излучения. Максимум в спектре рассеянной радиации смещен в

более коротковолновую область, чем у солнечного спектра; также состав

рассеянной радиации зависит от высоты Солнца

Рассеянная радиация также зависит и от облачности, что

проиллюстрировано на рис.5.[1], который построен по экспериментальным

данным для г. Павловска. Нередки случаи, когда рассеянная радиация

достигает значений, сравнимых с потоком прямой солнечной радиации[1]. Это

явление обычно происходит в северных широтах. Оно объяснимо тем, что чистый

сплошной снежный покров имеет черезвычайно большую отражательную

способность. Облака являются средами, которые могут сильно рассеивать свет;

опыты показали, что плотные облака толщиной 50 - 100 метров уже полностью

рассеивают прямые солнечные лучи.