ალექსეი გილიაროვი CO2-ის სეზონური რყევები

 ალექსეი გილიაროვი CO2-ის სეზონური  რყევები

https://elementy.ru/problems/94/Sezonnye_kolebaniya_CO_2

როგორც ცნობილია, ჰაერი შედგება მოლეკულური აზოტისგან (78%), მოლეკულური ჟანგბადისგან (21%), არგონისგან (1%), მცირე რაოდენობით წყლის ორთქლისგან და სხვა რამდენიმე ნივთიერებისაგან, რომელთა შემცველობა იზომება პროცენტების მეასედ და მეათასედ წილებში. მათ შორის, ნახშირორჟანგი, ან, როგორც მეცნიერები უწოდებენ მას, ნახშირბადის დიოქსიდი (CO2). მოხერხებულობისთვის, CO2–ის შემცველობა ჰაერში შეფასებულია არა პროცენტებში (მეასედებში), არამედ მემილიონე წილებში, რომლებიც აღინიშნება ლათინური ასოებით ppm (part per million - ნაწილი მილიონზე). ნახშირორჟანგის შემცველობა დედამიწის ატმოსფეროში მისი არსებობის მთელი ისტორიის განმავლობაში იცვლებოდა საკმაოდ ფართო საზღვრებში (იხ.: 300 მილიონი წლის წინ, ატმოსფეროში გაცილებით მეტი ნახშირორჟანგი იყო, ვიდრე ახლა). ახლა მისი კონცენტრაცია შეფასებულია 380-390 ppm (ან 0,038-0,039%), თუმცა ჯერ კიდევ 50 წლის წინ ის შეადგენდა მხოლოდ 310-320 ppm. ატმოსფეროში ნახშირორჟანგის შემცველობის ზრდის ძირითადი მიზეზი გასულ საუკუნეში არის მისი ემისიები, წიაღისეული საწვავის (ნავთობი, ნახშირი, გაზი) დაწვა, აგრეთვე ტყეების გაჩეხვა.

დედამიწაზე სიცოცხლის არსებობა მჭიდროდაა დაკავშირებული ატმოსფეროში ნახშირორჟანგის არსებობასთან. პირველ რიგში, ნახშირორჟანგი, წყლის ორთქლთან და მეთანთან ერთად, ქმნის სათბურის ეფექტს - უზრუნველყოფს სითბოს შენარჩუნებას, რომელსაც ასხივებს მზის სხივებით გამთბარი დედამიწა.  ატმოსფეროში სათბურის გაზები რომ არ ყოფილიყო, ჰაერის საშუალო წლიური ტემპერატურა დედამიწის ზედაპირთან არ იქნებოდა + 15°C, როგორც ახლა, არამედ –23°C.

მეორე, ნახშირორჟანგი ნახშირბადის წყაროა ყველა მწვანე მცენარისთვის, პლანქტონის მიკროსკოპული წყალმცენარეებისა და ციანობაქტერიებისთვის. მზის სინათლის ენერგიის გამოყენებით, ყველა ეს ორგანიზმი ფოტოსინთეზის დროს აწარმოებს ორგანულ ნივთიერებებს ნახშირორჟანგიდან და წყლიდან, და გამოყოფს ჟანგბადს, როგორც გვერდითი პროდუქტი. ფოტოსინთეზის პროცესის არსი აისახება მარტივი განტოლებით:

    CO2 + H2O + ენერგია → (CH2O) + O2,

სადაც (CH2O) — ორგანული ნივთიერების განზოგადებული ფორმულაა.

მაგრამ, თუ ფოტოსინთეზის დროს ნახშირორჟანგი იკვრება (და შესაბამისად, ატმოსფეროდან ამოღებულია), სხვა,  სუნთქვის პროცესის დროს, ის კვლავ გამოიყოფა:

    (CH2O) + O2 → CO2 + H2O + ენერგია.

თანამედროვე ბიოსფეროში ორგანიზმების აბსოლუტური უმრავლესობა იღებს მათთვის საჭირო ენერგიას სწორედ აერობული სუნთქვის პროცესში - ორგანული ნივთიერებების ჟანგბადით დაჟანგვისას. ამრიგად, მრავალი ორგანიზმის სასიცოცხლო აქტივობა თავისთავად აღმოჩნდა ნახშირორჟანგის მნიშვნელოვანი წყარო. უდიდესი წვლილი შეაქვს სოკოებისა და ბაქტერიების სუნთქვას, რომლებიც შლიან მცენარეთა ქსოვილების მკვდარ ნივთიერებებს, აგრეთვე თავად მცენარეების (პირველ რიგში, ფესვების) სუნთქვას.

დღეს მეცნიერებმა ისწავლეს ჰაერში ნახშირორჟანგის კონცენტრაციის ძალიან ზუსტი გაზომვა. დედამიწის სხვადასხვა წერტილში, ალასკადან სამხრეთ პოლუსამდე, არსებობს სპეციალური სადგურები, რომლებზეც მთელი წლის განმავლობაში მიმდინარეობს დაკვირვება CO2–ის შემცველობის ყველა ცვლილებაზე. შეგროვებულმა მონაცემებმა შესაძლებელი გახდა სამგანზომილებიანი გრაფიკის აგება, რომელიც აჩვენებს ჰაერში ნახშირორჟანგის რაოდენობის დამოკიდებულებას ერთდროულად ორი პარამეტრზე - სადგურის ადგილმდებარეობის გეოგრაფიულ განედზე და წელიწადის დროზე (იხ. სურათი 1).

ნახ. 1. ეს ხალიჩა ნაკეცებით სხვა არაფერია, თუ არა სამგანზომილებიანი გრაფიკი, რომელიც აჩვენებს ატმოსფერული ნახშირორჟანგის სეზონურ ცვლილებებს სხვადასხვა განედზე. ვერტიკალზე განთავსებულია ნახშირორჟანგის კონცენტრაცია (გამოხატულია მემილიონე, ppm). მარცხენა ჰორიზონტალურ ღერძზე განთავსებულია გეოგრაფიული განედი: სამხრეთ პოლუსიდან ჩრდილოეთი განედის 82°-მდე. მარჯვნივ მითითებულია დრო 1988 წლის სექტემბრიდან 1992 წლის სექტემბრამდე. „ხალიჩის“ ხაზები, რომლებიც გადიან დროის ღერძზე, აკავშირებენ წერტილებს, რომლებიც ეკუთვნიან ერთ განედს (გაყვანილია ყოველ 10°-ზე). პერპენდიკულარულად განთავსებული ხაზები, გეოგრაფიული განედის ღერძის გასწვრივ,  აკავშირებს ერთ თარიღთან დაკავშირებულ წერტილებს. გრაფიკი შექმნილია Oak Ridge National Laboratory-ის საინფორმაციო ცენტრის მონაცემების მიხედვით. წიგნიდან: Tyler Volk Gaia’s Body. Towards a philosophy of Earth. New York: Copernicus. Springer. 1998.

ამოცანა

ყურადღებით დაათვალიერეთ ატმოსფეროში ნახშირორჟანგის სეზონური ვარიაციების ზემოთ მოცემული გრაფიკი სხვადასხვა განედზე. ყურადღება მიაქციეთ, რომ ჩრდილოეთ ნახევარსფეროსთვის, განსაკუთრებით მაღალი განედებში, დამახასიათებელია ძლიერი რყევები CO2–ის შემცველობაში. მაქსიმალური მნიშვნელობები აღინიშნება გაზაფხულზე - აპრილ-მაისში, ხოლო მინიმალური - შემოდგომაზე, სექტემბერ-ოქტომბერში. სამხრეთ ნახევარსფეროში ასევე შეიმჩნევა CO2–ის რაოდენობის ზრდა და ვარდნა, მაგრამ იმის საპირისპიროდ, თუ რა ხდება ჩრდილოეთ ნახევარსფეროში და, რაც მთავარია, ძალიან უმნიშვნელო ამპლიტუდით.

       დავალება.  შეეცადეთ ახსნათ მიღებული სურათი. რატომ მერყეობს ნახშირორჟანგის შემცველობა მთელი წლის განმავლობაში და რატომ არის ჩრდილოეთ ნახევარსფეროში რყევების დიაპაზონი ბევრად უფრო დიდი, ვიდრე სამხრეთით?

თუ გიჭირთ ზემოთ მოყვანილი სამგანზომილებიან გრაფიკში გარკვევა, ნახეთ კიდევ ერთი (ნახ. 2). ის სხვაგვარად არის ორიენტირებული: სამხრეთის ნახევარსფერო უფრო ახლოს არის თქვენთან, ხოლო ჩრდილოეთი ნახევარსფერო უფრო შორს. ეს სხვა წლებია, მაგრამ სხვადასხვა განედზე სეზონური ცვლილებების ხასიათი იგივეა: სამხრეთ ნახევარსფეროში ისინი ძალიან სუსტად არის გამოხატული, ჩრდილოეთში - ძლიერ.

ნახ. 2. 1981–84 წლებში ატმოსფეროში CO2–ის შემცველობის სეზონური რყევები (სიდიდეები გამოსახულია ვერტიკალურად ppm-ში) სხვადასხვა განედზე. ნაჩვენებია ცვლილებები 60° სამხრეთი განედიდან 60° ჩრდილოეთ განედამდე. ნახატზე კარგად ჩანს, რომ ჩრდილოეთ ნახევარსფეროში შეინიშნება ძალიან დიდი ამპლიტუდის სეზონური რყევები, ხოლო სამხრეთ ნახევარსფეროში უმნიშვნელო: Conway T.J., et al., 1988 // Tellus. V. 40, B. P. 81-115

მინიშნება 1

მინიშნების სახით, გირჩევთ აიღოთ გლობუსი (უკეთესი იქნება გატეხილი, რომელსაც ქვესადგომი არ აქვს) და ყურადღებით შეხედოთ მას ჩრდილოეთ პოლუსიდან და სამხრეთ პოლუსიდან. ქვემოთ მოცემულია ნახატების შესაბამისი წყვილი  (ნახ. 3). თქვენ უნდა გესმოდეთ, თუ რით განსხვავდება ჩრდილოეთ და სამხრეთ ნახევარსფეროები და როგორ შეიძლება ამ განსხვავებებმა გავლენა მოახდინონ ნახშირორჟანგის შეწოვაზე და გამოყოფაზე.

ნახ. 3.  ასე გამოიყურება ჩვენი დედამიწა, თუ მას შევხედავთ ჩრდილოეთ პოლუსის მხრიდან (მარცხნივ) ან სამხრეთ პოლუსის მხრიდან (მარჯვნივ). ჩანს, რომ ჩრდილოეთ ნახევარსფეროში მნიშვნელოვანი სივრცე კონტინენტებს უკავიათ, ხოლო სამხრეთ ნახევარსფეროში - ოკეანეებს. მწვანე ფერით ნაჩვენებია მიწისზედა მცენარეულობის და ოკეანეების ფიტოპლანქტონის პირველადი პროდუქცია (წელიწადში წარმოქმნილი ორგანული ნივთიერებების რაოდენობა). რაც უფრო მუქია ფერი, მით უფრო დიდია პირველადი პროდუქცია. ყავისფერი გვიჩვენებს უბნებს, სადაც პროდუქცია ძალიან დაბალია (იქ მცენარეულობა უბრალოდ არ არის). თეთრი ფერი გვიჩვენებს ჩრდილოეთ ყინულოვანი ოკეანეს და ანტარქტიდის ყინულის საფარს.

ყურადღება მიაქციეთ ნახშირორჟანგის შემცველობის სეზონური ცვლილებების გრაფიკს, რომელიც მიღებული იქნა ბოლო წლებში კუნძულ ჰავაის  ასტროფიზიკური ობსერვატორია მაუნა-ლოადან (ნახ. 4). მიუხედავად იმისა, რომ ეს მხოლოდ ჩრდილოეთის განედის 20°, CO2-ის კონცენტრაციის მერყეობა ძალიან მკაფიოდ არის გამოხატული. ყველაზე მაღალი კონცენტრაცია აღინიშნება მაისში, ყველაზე დაბალი სექტემბერ-ოქტომბერში.

მინიშნება 2

ყურადღება მიაქციეთ ნახშირორჟანგის შემცველობის სეზონური ცვლილებების გრაფიკს, რომელიც მიღებული იქნა ბოლო წლებში კუნძულ ჰავაის ასტროფიზიკური ობსერვატორია მაუნა-ლოადან (ნახ .4) მიუხედავად იმისა, რომ ეს მხოლოდ ჩრდილოეთის განედის 20°, CO2-ის კონცენტრაციის მერყეობა ძალიან მკაფიოდ არის გამოხატული. ყველაზე მაღალი კონცენტრაცია აღინიშნება მაისში, ყველაზე დაბალი სექტემბერ-ოქტომბერში.

ნახ. 4. ბოლო რამდენიმე წლის განმავლობაში ატმოსფეროში ნახშირორჟანგის (CO2) შემცველობის ცვლილებები ვულკანის მაუნა-ლოა (ჰავაის კუნძული) ობსერვატორიის მონაცემების მიხედვით. CO2-ის შემცველობა გამოხატულია მემილიონე ნაწილშჳ  (ppm). წითელი ხაზი საშუალო თვიური მონაცემია (კარგად ჩანს სეზონური რყევები: მაქსიმუმი მოდის მაისის თვეზე, მინიმამუმი - სექტემბერ-ოქტომბერზე). შავი ხაზი -  საშუალო მონაცემებიდან მიღებული მრუდია. ის ასახავს CO2–ის შემცველობის ზოგადი ზრდის ტენდენციას ბოლო წლების განმავლობაში. აშშ-ს ოკეანეების და ატმოსფეროს ეროვნული სამმართველოს  (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) მონაცემები. გრაფიკი აღდგენილია Earth System Research Laboratory-ის ვებ-გვერზე 

განმარტება

ალბათ მიაქციეთ ყურადღება, რომ ჩრდილოეთ ნახევარსფერო ძირითადად კონტინენტურია (მისი დიდი ნაწილი ხმელეთს უკავია), ხოლო სამხრეთ ნახევარსფერო ოკეანური (ცენტრში ყინულით დაფარული ანტარქტიდაა, გარშემო კი უზარმაზარი ოკეანეა). შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ ხმელეთი და ოკეანე განსხვავდება ნახშირორჟანგის შეკავშირებისა და გამოყოფის პროცესების ინტენსივობით. მაუნა ლოადან მიღებული CO2–ის კონცენტრაციის სეზონური ცვლილებების გრაფიკიდან (ნახ. 4) ჩანს, რომ ზაფხულის თვეებში ჩრდილოეთ ნახევარსფეროში ამ გაზის რაოდენობა მნიშვნელოვნად იკლებს (მინიმუმი აღწევს შემოდგომაზე), ხოლო ზამთრის თვეებში იზრდება და მაქსიმუმს გაზაფხულისთვის აღწევს. ადვილი მისახვედრია, რომ ნახშირორჟანგის შემცველობის შემცირება ზაფხულში გამოწვეულია მცენარეთა აქტივობით, კერძოდ, ფოტოინთეზით, რომლის დროსაც CO2 მოიხმარება. მცენარის ზრდა, ფოთლების, ღეროებისა და ფესვების მასის ზრდა ხდება ნახშირბადის ხარჯზე, რომელიც მათ მიერ ჰაერიდან მიღებული ნახშირორჟანგის სახით.

თუ ატმოსფეროდან ნახშირორჟანგის ამოღებაზე ფოტოსინთეზია პასუხისმგებელი, მის მიწოდებაზე პასუხისმგებელი ყველა ორგანიზმის სუნთქვაა, პირველ რიგში ბაქტერიებისა და სოკოების, რომლებიც შლიან  მკვდარი მცენარეების ორგანულ ნივთიერებებს. სუნთქვა ასევე ხდება გაზაფხულზე, ზაფხულსა და შემოდგომაზე, ხოლო დაბალი ინტენსივობით ზამთარში, ყოველ შემთხვევაში, იმ ადგილებში, სადაც დადებითი ტემპერატურაა. ვეგეტაციის (მცენარის აქტიური ზრდის) პერიოდი ზომიერ და მაღალ განედებში გაზაფხულის ბოლოს - ზაფხულის დასაწყისით შემოიფარგლება. მაგრამ სწორედ ამ დროს, ნახშირორჟანგის რაოდენობა, რომელიც სწრაფად მზარდი მცენარეებით არის შეკრული, მნიშვნელოვნად აღემატება ყველა ორგანიზმის სუნთქვის პროცესში გამოყოფილ რაოდენობას. ამიტომ, ამ დროს ვაკვირდებით ნახშირორჟანგის კონცენტრაციის შემცირებას ჰაერში. შემდეგ ფოტოსინთეზი მკვეთრად სუსტდება, ხოლო და ყველა ორგანიზმის სუნთქვა გრძელდება, რაც CO2–ის დაგროვებას იწვევს. ნახშირორჟანგის კიდევ ერთი დამატებითი წყარო, რომელიც მუშაობს მთელი წლის განმავლობაში, არის ადამიანის  მიერ წიაღისეული საწვავის წვა.

აქ მკითხველს აქვს უფლება აღნიშნოს, რომ ფოტოსინთეზისა და სუნთქვის პროცესებს ადგილი აქვს არა მხოლოდ ხმელეთზე, არამედ ოკეანეშიც. რატომ ვერ ვამჩნევთ ოკეანეზე ჰაერში CO2-ის შემცველობაში მნიშვნელოვან ცვლილებებს? ყველაზე აქტიური ფოტოსინთეზი ზღვაში ასევე ხდება გაზაფხულზე და ზაფხულის დასაწყისში, როდესაც სითბო ისადგურებს, და, რაც მთავარია, ჯერ კიდევ საკმარისად არის მინერალური საკვების უამრავ ნივთიერება (აზოტი და ფოსფორი ხელმისაწვდომი ფორმით). სინამდვილეში, სამხრეთ, ოკეანურ ნახევარსფეროში ნახშირორჟანგის კონცენტრაციის სეზონური მერყეობა ასევე არსებობს, მაგრამ ისინი, ბუნებრივია, ანტიფაზაში მიმდინარეობს, იმის საპირისპიროდ, რაც ჩრდილოეთის ნახევარსფეროში ხდება. საოცარია, რატომ აქვთ მათ ასეთი მცირე ამპლიტუდა. აქ შეიძლება რამდენიმე მექანიზმი მუშაობდეს. 

ჯერ ერთი, ოკეანეს (მის ზედა ფენებსაც კი) აქვს უზარმაზარი სითბური ტევადობა, რაც არბილებს ტემპერატურის სეზონურ რყევებს იმასთან შედარებით, რაც ხდება ხმელეთზე. მეორეც, ნახშირორჟანგი კარგად იხსნება წყალში (ცივში უკეთესად, ვიდრე თბილში) - ანუ CO2–ის შესაკრავად არსებობს ფიზიკურ–ქიმიური მექანიზმი; ამასთან, ოკეანის ზედაპირულ შრეებს შეუძლიათ CO2-ის მიცემა ატმოსფეროს იქ დაბალი პარციალური წნევის შემთხვევაში. მესამე და ეს, ალბათ, ყველაზე მნიშვნელოვანია, პირველადი პროდუქციის სიდიდე, ანუ ორგანული ნივთიერებების რაოდენობა, რომლებიც ავტოტროფული ორგანიზმების მიერ ფოტოსინთეზის დროს წარმოიქმნება, ხმელეთის ფართობის ერთეულზე გაანგარიშებით, დაახლოებით 2.5-ჯერ მეტია, ვიდრე ოკეანეზე. ფიტოპლანქტონს არ შეუძლია CO2–ის იმ ოდენობის გარემოდან ამოღება, რომელსაც იღებს მიწისზედა მცენარეულობა ზომიერ და ჩრდილოეთ განედებზე. ნახშირორჟანგის შემცველობაში რყევები, რომელიც დაფიქსირდა ობსერვატორიის მიერ მაუნა ლოაზე, ძირითადად განისაზღვრება ევრაზიასა და ჩრდილოეთ ამერიკაში მცენარეულობის განვითარების სეზონურობით.

ბოლოსიტყვაობა

საერთოდ, ჰაერის გარემო, წყლის გარემოსთან შედარებით, ძალიან მოძრავია. უნებლიედ ჩნდება კითხვა: რატომ არ ათანაბრებს დედამიწის ატმოსფეროში ჰაერის მასების შერევა ნახშირორჟანგის შემცველობას? აქ უნდა გავიხსენოთ, რომ ჰაერი ადვილად და სწრაფად გადაადგილდება განედის მიმართულებით, მაგრამ არა მერიდიანულში. ამიტომ, ჰავაის კუნძულებზე შეგიძლიათ დააკვირდეთ შორეულ კონტინენტებზე მცენარეული საფარის სეზონური განვითარების შედეგებს. მაგრამ „ჩრდილოეთ-სამხრეთის“ მიმართულებით, ჩვენ ვხედავთ მნიშვნელოვან განსხვავებებს CO2-ის შემცველობაში სხვადასხვა განედებზე. ჰაერის ცირკულაციის ფიჭური სტრუქტურა ხელს უშლის მერიდიანულ გადატანას. ეკვატორულ რეგიონში ჰაერი ყველაზე მეტად თბება, ამიტომ იგი იქ ზევით მიიწევს, ფართოვდება, გადაინაცვლებს ჩრდილოეთით და სამხრეთით, თანდათანობით ცივდება და დედამიწისკენ ეშვება ორივე ნახევარსფეროში დაახლოებით 30°-ით. შემდეგ ეს გაცივებული ჰაერი დედამიწის ზედაპირზე ეკვატორამდე მოძრაობს და მიმოქცევას კრავს. ასე იქმნება ჰედლის უჯრედები, რომლებსაც XVIII  საუკუნეში მოღვაწე ინგლისელი მეცნიერის ჯორჯ ჰედლის სახელი დაარქვეს, რომელმაც ისინი აღწერა. თითოეულ ამ უჯრედში ჰაერის მასების მოძრაობა ქვემოთ გადაადგილებას აიძულებს მეზობელ საჰაერო მასებს, და შემდეგ ჩრდილოეთით და სამხრეთით (ეს დამოკიდებულია ნახევარსფეროზე). ეს უკვე ფერელის უჯრედებია, რომლებსაც XIX საუკუნის ამერიკელი მეტეოროლოგის უილიამ ფერელის სახელი დაარქვეს. ცირკულაციის ასეთი ფიჭური სტრუქტურის არსებობა მკაცრად უშლის ხელს ჰაერის მასების შერევას მერიდიანული მიმართულებით, მაგრამ არ ქმნის განედზე მოძრაობის დაბრკოლებებს.

ნახ. 5. ატმოსფეროს ფიჭური ცირკულაციის იდეალიზებული განზოგადებული სქემა. აშკარაა, რომ ასეთი უჯრედების არსებობა მნიშვნელოვნად ართულებს ჰაერის მასების „ჩრდილოეთ-სამხრეთის“ მიმართულებით გადატანას. განედური მიმართულებით ჰაერის მასები ბევრად უფრო სწრაფად მოძრაობენ, ვიდრე მერიდიანულით. აღებულია: „ბიოსფერო“.  სტატიების კრებული/მ.ს. გილიაროვის რედაქციით. მოსკოვი: მირი, 1972.