Углеки́слый газ в атмосфе́ре Земли́ имеет очень низкую концентрацию, но большое значение для климата и живых организмов. Содержание углекислого газа (CO2, диоксида углерода) в сухом воздухе составляет по объёму ().

Роль углекислого газа для биосферы состоит прежде всего в поддержании фотосинтеза, который осуществляется растениями. Кроме того, это парниковый газ: он блокирует часть переизлучаемого Землёй тепла и таким образом участвует в формировании климата планеты Petty, G. W.: A First Course in Atmospheric Radiation, pages 229—251, Sundog Publishing, 2004.

На молодой Земле углекислый газ наряду с азотом и водяным паром составлял основу атмосферы. Со времён появления океанов и зарождения жизни доля углекислого газа снижалась. До промышленной революции она составляла около 280 ppm. Начиная с середины XIX века отмечается устойчивый рост количества этого газа в атмосфере. С ноября 2015 года его среднемесячная концентрация стабильно превышает , а в 2022 году в полтора раза превысила доиндустриальную, достигнув 421 ppm. В 2010-х годах скорость роста составляла ppm/год или за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO2 в атмосфере максимален за последние 800 тыс. лет, а возможно, и за последние 14 или Climate Change 2001: The Scientific Basis .

Быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере связано с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива. Кроме того, по данным МГЭИК ООН, до антропогенных выбросов CO2 являются результатом обезлесенияhttp://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter7.pdf IPCC Fourth Assessment Report, Working Group I Report «The Physical Science Basis», Section 7.3.1.2 (p. 514—515).

Роль в парниковом эффекте

Основным источником парникового эффекта в атмосфере Земли является газообразная вода, присутствующая в воздухе в виде водяного пара. При отсутствии парниковых газов в атмосфере и значении солнечной постоянной, равной средняя температура на поверхности должна составлять В действительности средняя температура поверхности Земли составляет то есть, парниковый эффект приводит к её увеличению на . При относительно небольшой концентрации в воздухе, CO2 является вторым по значимости парниковым газом в атмосфере, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны (вибрационный режим — за счёт асимметричного растяжения молекулы) и (изгибные колебания молекулы). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту. Так как на основных частотах поглощения атмосферный CO2 полностью исключает переизлучение в космос, текущее увеличение концентрации сказывается только в полосах поглощения, где его современное влияние на спектр переизлучения Земли приводит лишь к частичному поглощению. В целом наличие углекислого газа и его парникового эффекта в атмосфере приводит к увеличению приповерхностной температуры на величину порядка а влажность воздуха ответственна за оставшуюся часть парникового эффекта при малом влиянии других газов.

Кроме инфракрасных свойств диоксида углерода, имеет значение тот факт, что он тяжелее воздуха. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет , а молярная масса CO2 — , то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхностиПРИРОДА ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА , Объединенный Научный Совет РАН по проблемам Геоинформатики. Так как при увеличении доли этого газа в атмосфере его бо́льшая молярная масса приводит к росту плотности и давления, то при одной и той же температуре рост концентрации CO2 приводит к увеличению влагоёмкости воздуха и к усилению парникового эффекта, обусловленного бо́льшим количеством воды в атмосфере An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations , 1998 — 2012 Richard Shelquist Humidity 101 , World Water Rescue Foundation. Увеличение доли воды в воздухе для достижения одного и того же уровня относительной влажности — в силу малой молярной массы воды () — снижает плотность воздуха, что компенсирует увеличение плотности, вызванное наличием повышенного уровня углекислого газа в атмосфере.

Комбинация перечисленных факторов в целом приводит к тому, что увеличение концентрации с доиндустриального уровня до современного (414,7 ppmv в среднем за 2021 год) эквивалентно дополнительному выделению на каждый квадратный метр поверхности планетыИзменение климата, торговля углеродом и биоразнообразие , World Bank Group: Хабиба Гитай. Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остаётся в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, сохраняются в свободном состоянии в атмосфере не так долго Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions — PNAS WMO statement on the globa climate in 2010 Bundle Up, It’s Global Warming , JUDAH COHEN, 25.12.2010.

Роль в похолодании Хотя содержание углекислого газа когда-то было многократно выше (особенно до появления кислорода), жизнь возникла и процветала, венерианский сценарий не реализовался. Это предполагает наличие отрицательной обратной связи. Такой охлаждающий эффект могут создавать облака, отражающие солнечную радиацию и возникающие при ещё большем содержании углекислого газа, чем есть сейчас. Оба явления, — потепления и похолодания, таким образом являются стабилизирующими механизмами для условий жизни на Земле Impact of decadal cloud variations on the Earth’s energy budget .

Источники углекислого газа

К естественным источникам диоксида углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе гниения органических остатков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO2 приводят некоторые виды промышленной деятельности, такие, например, как производство цемента и утилизация попутных нефтяных газов путём их сжигания в факелах.

Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.

Естественные источники

Большинство источников эмиссии по данным 98−го года РФ CO2 являются естественными. Перегнивание органического материала, такого как мёртвые деревья и трава, приводит к ежегодному выделению тонн диоксида углерода, земные океаны выделяют . Пожары, возникающие в том числе по естественным причинам, из-за самого процесса горения в атмосфере и — в случае выгорания лесных массивов — за счет обезлесения приводят к эмиссии, которая сравнима с антропогенной. Например, в ходе индонезийских лесных и торфяных было выделено от среднегодовой эмиссии CO2, получаемой в результате сжигания ископаемых топлив Indonesian Wildfires Accelerated Global Warming Massive peat burn is speeding climate change — 06 November 2004 — New Scientist . Вулканическая активность была главным источником углекислого газа во времена молодой Земли, в современный геологический период вулканическая эмиссия составляет около тонн в год или менее от антропогенной Gerlach, T. M., 1992, Present-day CO2 emissions from volcanoes: Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 72, No. 23, June 4, 1991, pp. 249, and 254—255 U.S. Geological Survey, «Volcanic Gases and Their Effects », volcanoes.usgs.gov .

В обычном состоянии эти естественные источники находятся в равновесии с физическими и биологическими процессами, удаляющими диоксид углерода из атмосферы — часть CO2 растворяется в морской воде и часть удаляется из воздуха в процессе фотосинтеза. Так как обычно в ходе данного процесса поглощается 5,5 т диоксида углерода в год, а его общая масса в земной атмосфере составляет то в среднем весь атмосферный CO2 участвует в углеродном цикле раз в шесть лет. Из-за наличия антропогенных выбросов поглощение CO2 биосферой превосходило его выделение на ≈ тонн в середине 2000-х годов, скорость его поглощения имеет устойчивую тенденцию к увеличению вместе с ростом атмосферной концентрацииKeeling et al., 1995.

Антропогенная эмиссия

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO2. В настоящее время около производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами Abstract , Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks.. Соотношение увеличения количества CO2 в атмосфере ко всему выделенному CO2 составляет постоянную величину порядка и претерпевает короткопериодические колебания и колебания с периодом в пять лет.

Сжигание ископаемых топлив, — таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO2. Вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено тонн углерода ( тонн CO2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла тонн Global carbon budget 2008 , lgmacweb.env.uea.ac.uk . Сведение лесов под землепользование привело к увеличению содержания атмосферного диоксида углерода, эквивалентное сжиганию тонн угля в 2008 году ( тонн в 1990). Суммарное увеличение за 18 лет составляет от ежегодного естественного цикла CO2, что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO2 US Global Change Research Information Office, «Common Questions about Climate Change ». Как результат, диоксид углерода постепенно аккумулируется в атмосфере, и в 2009 году его концентрация на превысила доиндустриальное значение Carbon Budget 2009 Highlights , The Global Carbon Project ..

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO2 не превосходит от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

Изменение температуры и углеродный цикл К другим факторам, увеличивающим содержание CO2 в атмосфере, следует отнести рост средней температуры в XX веке, что должно было отражаться в ускорении перегнивания органических остатков и, в силу прогрева океанов, в снижении общего количества диоксида углерода, растворяемого в воде. Увеличение температуры происходило в том числе по причине исключительно высокой солнечной активности в этот период и в XIX веке (см., например, событие Кэррингтона, 1859 г.) .

При переходе от условий холодного к теплому климату в течение последнего миллиона лет, естественное изменение концентрации атмосферного CO2 оставалось в пределах то есть суммарное увеличение его содержания не превосходило Vostok Ice Core Data , ncdc.noaa.gov . При этом, например, средняя температура планеты в период климатического оптимума лет до  была приблизительно на выше современной, а из-за более сильно выраженного парникового эффекта в условиях тёплого климата среднегодовая аномалия температуры в субарктических широтах достигала .

Влияние вулканизма