Обмен двуокисью углерода между атмосферой и океаном

Атмосферный воздух в среднем содержит 0, 03 об % углекислоты. Общее содержание двуокиси углерода в атмосфере оценивается в 0, 0233 х 1020 г. В океане двуокись углерода присутствует в виде Н2СО3, НСО-3, СО2-3, органического вещества; общее ее содержание оценивается в 1, 4 х 1020 г, что примерно в 60 раз превосходит ее количество в атмосфере.

По расчетным данным наибольшее количество углекислоты производится живыми организмами, в то же время предполагается, что количество углекислоты, расходующееся при эрозии и седиментации, сопровождаемых преобразованием силикатов в карбонаты, приблизительно равно ее количеству, поступающему за счет вулканической деятельности, деятельности фумарол, горячих источников и т. п.

Количество углерода, содержащегося в организмах, будучи выражено через СО2, составляет около 0, 145 х 1020 г, что в 6 или 7 раз превышает содержание СО2 в атмосфере. Как указывал В. И. Вернадский, организмы являются важным звеном в геохимическом цикле углерода.

Другой важный момент заключается в том, что в океане в растворенном состоянии также находится колоссальное количество углекислоты. Средняя общая концентрация СО2 в морской воде составляет 2, 3 миллимоля/л. У поверхности моря, где вода соприкасается с воздухом, наблюдается тенденция к установлению одинакового парциального давления СО2 в атмосфере и в морской воде. Таким образом, океаном может контролироваться содержание СО2 в атмосфере. Эта идея впервые была высказана Шлезингом еще в XIX столетии.

Как будет сказано ниже, скорость обмена молекулами углекислоты между морской водой и атмосферой может быть легко установлена на основании имеющихся определений радиоуглеродного возраста морских осадков и организмов.

Величина отношения С13/С12 в морских карбонатах примерно на 2, 5% выше этой величины у наземной флоры. Соответственно фактор обогащения С14 в них два раза больше, чем фактор обогащения С13. С учетом влияния эффекта изотопного фракционирования концентрация С14 в морских материалах, пониженная относительно его концентрации в стандартах, должна быть целиком отнесена за счет радиоактивного распада, по которому может быть определен абсолютный возраст вещества.

Крэг [1954] установил, что хотя ожидаемая величина обогащения современных морских раковин С14 равна 5%; что соответствует 400 годам абсолютного возраста углерода в поверхностных водах океана. Крэг высказал предположение, что это, возможно, результат медленного обмена двуокисью углерода, между океаном и атмосферой.

По данным Зюсса [1954, 1955], средний радиоуглеродный возраст морских организмов (по пробам из Атлантического океана) составляет 430 лет.

Распределение двуокиси углерода в океане

В свежей воде угольная кислота диссоциирует следующим образом:

Где К1 и К2 - соответственно первая и вторая константы дисоциации, величина которых изменяется в зависимости от температуры, солености и хлорности воды. При 20о С К1=4, 15 х 10-7, рК1=6, 38 и К2= 4, 20 х 10-11, рК2=10, 38.

Скорость обмена двуокиси углерода между атмосферой и океаном. В связи с возможным накоплением двуокиси углерода в результате сжигания больших количеств ископаемого топлива значительное внимание уделяется вопросам о распределении углекислоты на Земле в целом и о скорости обмена двуокисью углерода между воздухом и морской водой. Если количество атмосферной двуокиси углерода действительно увеличивается, то должно происходить и повышение температуры воздуха, обусловленное абсорбцией инфракрасного излучения, что должно повлечь за собой существенные изменения в климате Земли. Такая возможность в значительной степени будет зависеть от скорость обмена углекислотой между атмосферой и гидросферой.

Исходя из наблюдений за поведением С14 в атмосфере и океане Ревель и Зюсс [1957] оценивают время пребывания углекислоты в атмосфере 14-30 лет.

Определение парционального давления углекислоты в воздухе и в поверхностных водах Атлантического океана Такахаши [1959] установили, что концентрация двуокиси углерода в воздухе непосредственно над поверхностью моря довольно постоянна, в среднем около 317, 4 ррm, и что океан абсорбирует углекислоту всей площадью своей поверхности. По данным Такахаши, средняя концентрация углекислоты в атмосферном воздухе 320, 8 ррm.