Большинство из нас немалую часть времени проводят на работе в офисах, в мастерских с паяльником, и других закрытых помещениях где зачастую отсутствует какая-либо естественная вентиляция. Особенно ситуация с поступлением свежего воздуха извне, усугубилась в последние года с повсеместным приходом пластиковых окон, которые практически "не дышат". В помещениях, где находятся люди всегда присутствует какая-то часть углекислого газа (CO 2), который выдыхает человек. И если помещение периодически не проветривать, то его концентрация постепенно растет.

Концентрация CO 2 (диоксид углерода) измеряется в пропромилле (ppm). За городом и в сельской местности концентрация углекислого газа обычно составляет 350 ppm, в городе 400 ppm, в центре города 450 ppm. Цифры сильно различаются и зависят от плотности транспортного потока, силы ветра и других факторов. К примеру в Москве, на оживленных магистралях уровень CO 2 может достигать значений 800-900 ppm.

При высокой концентрации диоксида углерода у человека появляются дискомфорт, головные боли, сонное состояние, тошнота и др. симптомы. Опасность в том, что порог ухудшения состояния порой очень трудно заметить и величина эта индивидуальная для каждого человека. Поэтому для поддержания нормального самочувствия в помещении важно не превышать порог концентрации CO 2 , который составляет приблизительно 800-900 ppm. В среднем, один человек за 3 часа нахождения в закрытом помещении 20 кв.м повышает уровень концентрации углекислого газа до отметки 1500 ppm. А если там находится три человека, то всего за 1 час.

Существует несколько методов измерения концентрации углекислого газа. В портативных устройствах получил распространение NDIR метод недисперсионной инфракрасной спектрометрии. NDIR-сенсор - это спектрометр, измеряющий поглощение света единственной длины волны в зависимости от концентрации измеряемого газа. Для углекислого газа используется ИК-светодиод с длиной волны 4 мкм.

До недавнего времени CO 2 измерительные приборы были слишком дороги для бытового применения. Во всем мире производителей бытовых измерителей CO 2 можно пересчитать по пальцам. Но тем не менее они есть и уже вовсю продаются на AliExpress и eBay: CO2 Monitor . Правда стоимость даже самых простейших моделей начинается с отметки 100$, а более менее достойных приборов и вовсе от 200$. Во многих из них применяется именно NDIR метод измерения углекислого газа.

Не так давно на отечественном рынке появилось недорогое решение "Детектор углекислого газа" от широко известной в радиолюбительских кругах компании МастерКит. Данный материал посвящен небольшому обзору этого измерителя. Как и у всех товаров от МастерКит у данного измерителя присутствует свой уникальный код - МТ8057.

Характеристики прибора:

Детектор упакован в такую коробку:

На обратной стороне приведена информация об углекислом газе и его уровнях в помещениях.

Страна изготовления прибора - Китай. Забегая вперед сообщу, что нагуглил два прибора внешне практически полностью идентичные обозреваемому:
- ZGm053U
- CO2mini RAD-0301

Стоимость первого на сайте не указана, а второй прибор стоит 100$ без учета стоимость доставки. За прибор от МастерКит я отдал 3400 руб. вместе с доставкой (данные на конец января 2015 г). На сегодняшний день я думаю навряд ли можно найти где-нибудь подобный прибор по меньшей или аналогичной цене.

В коробке находится сам измеритель, USB-кабель и инструкция на русском языке.

Извлекаем измеритель:

На лицевой стороне измерителя мы видим экран для отображение уровня CO 2 и температуры, а также три светодиодных индикатора: зеленый, оранжевый и красный для пороговой индикации. По моему мнению это очень удачное решение - простого взгляда (особенно вечером или ночью) достаточно для быстрой оценки уровня концентрации CO 2 . После недельной эксплуатации прибора, я для себя отметил, что в первую очередь обращаю внимание именно на данные индикаторы, а не цифры на экране прибора. В настройках прибора для каждого светодиода можно задать уровни СО 2 .

Также это хороший вариант для конструирования DIY-устройств, скажем для управления приточной вентиляцией, бытовыми проветривателями и другой климатической техникой. Можно подпаяться к светодиодам или использовать фоторезисторы (или фотодиоды) разместив их напротив светодиодов измерителя. Настроив уровни включения светодиодов, можно включать или выключать приточную вентиляцию при достижении определенного порога. Это может быть существенно дешевле, чем отдельный модуль измерения CO 2 .

С обратной стороны прибора приклеена наклейка с названием, краткими характеристиками и серийный номер, а также 2 кнопки для настроек.

Я когда заказывал измеритель, честно сказать ожидал прибор большего размера. Но прибор оказался достаточно компактным.

Масса составила 64 г.

Размеры: 116*38*23.8мм

Данные на дисплее читаются достаточно отчетливо. Показания СО 2 и температуры:

Питается прибор от USB-шины 5 Вольт. Кабель - microUSB. На корпусе прибора под разъем USB имеется некоторое углубление, из-за чего не каждый micro-USB кабель можно подключить. Во всяком случае из имеющихся у меня в наличии 3-х кабелей, ни один не вошел до конца. Поэтому с родным кабелем нужно быть аккуратным и не терять его, иначе потом придется думать как подключить его к обычному нормальному кабелю.

Питание от батареек не предусмотрено, что немного огорчило меня. Для автономного использования придется использовать Power Bank с USB-выходом.

Отщелкнув заднюю крышку получаем доступ к внутренностям прибора.

Длинный элемент с наклейкой "ZGm053UK" и есть сердце прибора - NDIR датчик концентрации углекислого газа. На видео ниже можно увидеть как вспыхивает лампа для проведения измерений. Частота вспышек составляет примерно 1 вспышка в 5 секунд.

Как видно из осциллограммы выше - напряжение на лампу подается 5 Вольт.

Форма импульса для лампы - нарастающая, видимо для продления срока службы лампы. Длительность импульса - примерно 300 мс.

Качество сборки и пайки достаточно хорошее.

Может возникнуть закономерный вопрос про продолжительность работы сенсора. У производителя ZyAura можно найти ответ на этой страничке :

How long is the NDIR life?
We use dual channel(beam) NDIR (Non-Dispersive Infrared), thermopile from PerkinElmer, which improves the long-term stability of the measurement; it has longer durability than single channel design so the device has a durable life more than 5~10 years.

Т.е. время жизни сенсора составляет 5-10 лет. Калибровать датчик необходимо примерно раз в три года.

Для измерителей существует специальный софт для отображения графиков, а также проведения калибровки. Скачать софт можно на этой страничке . Не забудьте после скачивания переименовать файл ZG.eye в ZG.exe. Для чего так сделали - непонятно, особенно учитывая что все находится в архиве.

Желтая линия на вышеприведенном графике - температура (шкала справа). Нижняя линия - уровень CO 2 .
Комната примерно 12 кв.м. 1 человек. Пластиковые окна. Примерно в 14-35 было открыто окно. Как видно из графика, температура стала падать и вслед за ней сразу же стал понижаться уровень СО2 до приемлемого значения, через 10 минут полностью перейдя в безопасную (на графике зеленым цветом) зону. Примерно в 14-50 окно было закрыто и температура и СО 2 начали постепенно возрастать.

Для операционных систем Linux также существует OpenSource софт, выложенный на GitHub . К сожалению под ОС Debian у меня не получилось скомпилировать приложение, т.к. постоянно ругалось на отсутствие пакета, хотя он был установлен. Но теоретически, это дает возможность подключить измеритель по USB-интерфейсу к различным Linux-микрокомпьютерам (Raspberry Pi, CubeBoard, BeagleBone) и управлять устройствами (через GPIO) или скидывать данные на какой-нибудь сервер, использовать для системы "Умный дом" и т.п. Тут уже открывается масса возможностей.

Нужен измеритель СО 2 или нет - каждый решит сам, лично я потраченных на него денег не жалею и даже подумываю прикупить второй, один для дома, один в офис где я работаю.

Плюсы измерителя углекислого газа MT8057:

• Низкая цена по сравнению с аналогичными приборами
• Наличие "светофора" - три разноцветных индикатора
• Использование современного NDIR-сенсора, а не химического
• Большой интервал времени для проведения калибровки
• Подключение к компьютеру по USB для построения графиков
• Наличие OpenSource софта для Linux-систем

Минусы MT8057 :

• Отсутствие встроенного источника питания
• Нештатное углубление в корпусе под Micro-USB разъем
• Невысокая точность 100ppm, но вполне достаточная для домашнего применения
• Хотелось бы еще присутствие датчика влажности

Ранее писал статью об угарном газе . Теперь же задался практическим исследованием CO 2 . Интерес оказался настолько великим, что я потратился. Газоанализатор AZ7787: замеряет CO 2 , температуру и влажность, почти 9000 рублей. Инструкция предоставляется только на английском языке, но разобрать можно.

Эксперимент делился на несколько частей:
- принес домой и включил в комнате 3x6x2.8 метра (50.4 кубических метра) с закрытым окном и открытой дверью. 990ppm (температура 29.2 градуса, влажность 55.9%);
- заснул с ним. Утром прибор показывал 1260ppm (температура 27.1 градуса, влажность 59.9%);
- ушел на 11 часов, вечером вошел в комнату: 1010ppm (температура 29.5 градуса, влажность 54%);
- открыл окно, находясь в комнате: 600ppm (температура 29.1 градуса, влажность 50%)
- заснул с открытым окном. Утром: 485 ppm (температура 28.5 градуса, влажность 44%);
- вечером закрыл окно и закрыл дверь: 980ppm (температура 28.8 градуса, влажность 47%);
- так и заснул: 1810ppm (температура 28.6 градусов, влажность 53%);
- включил прибор ранним утром на открытом воздухе: 390ppm (температура 19 градусов, влажность 60%).

Теперь о самом любопытном. Как интерпретировать полученные результаты:
- 1ppm - миллионная доля чего-либо. 1000ppm - 0.1% углекислого газа в воздухе;
- анализируя сайты на ПДК углекислого газа, попадались величины сильно различные (да ещё и в разных единицах измерения). И смертельная цифра разная: 35000-100000ppm (остановка дыхания, удушье). В научных журналах верхняя безопасная граница CO 2 (когда совсем никаких последствий) составляет 1000ppm: Наумов А.Л., Капко Д.В. Вентиляция с переменным расходом воздуха для офисных зданий.//НП "АВОК", №8, 2012 г. ; Гурина И.В. Безопасный уровень углекислого газа требует ревизии.//Журнал "Экологический Вестник России", №10, 2008 г. Смертельная доза: 40000ppm (Соколов В.А. Переносные приборы для контроля состава воздуха в колодцах и подземных объектах.//Журнал "Техника безопасности" №3 (4), 2004 г. ).
- нельзя путать углекислый газ с диоксином, сильнейшим экотоксикантом и ядом;
- если в случае с угарным газом нужно падать на пол и ползти к выходу - то с CO 2 , наоборот, надо на цыпочки вставать и дышать через что-нибудь влажное (молекулярная масса воздуха 29г/моль, CO 2 - 44г/моль). На концертах, к примеру, используют генераторы тяжелого дыма для смеси паров воды и углекислого газа (что делает его безопасным);
- углекислый газ находится в крови и тканях внутренних органов, стимулирует защитные системы организма (в частности, при физической нагрузке);
- гемоглобин меняет углекислый газ на кислород. Проблема в том, что если углекислого газа в организме мало, он будет испытывать кислородное голодание. Потому что гемоглобин умеет работать только с этими двумя газами, при недостатке хотя бы одного из них угнетается весь механизм передачи газов. Книга Исмукова Н.Н. "Естественная активация защитных систем организма " подробно описывает этот процесс в 6 главе. В защиту этой позиции служит статья, упоминающая о собственной атмосфере в альвеолах легких организма, где концентрация CO 2 составляет 5.7%, 57000ppm (Голик А.С., А.Ф.Син, В.Р.Дингес. Влияние углекислого газа на дыхание в изолирующих средствах индивидуальной защиты.//Журнал "Горная Промышленность", №3, 2006 г. );
- именно большое количество CO 2 создает ощущение духоты в комнате. При этом кислорода может быть ещё достаточно для того, чтобы дышать без проблем.

Выводы:
- замеры проводились в озелененном районе города Москвы. В других ее районах ситуация может быть хуже;
- без углекислого газа человеку не выжить из-за особенностей организма;
- в помещении объемом 50.4 кубических метра без полной или частичной вентиляции возможно пребывание не более 9 часов (концентрация превысит 1800ppm, почти двойное превышение ПДК);
- симптомы отравления. При концентрации выше 1500ppm и ниже 5000ppm наблюдаются симптомы первой степени отравления углекислым газом: понижение умственной и физической работоспособности, легкое головокружение, глубокое дыхание (при сохранении частоты дыхания), сонливость, апатия, несильная головная боль, некоторое падение пульса и кровяного давления. Вторая степень: частое и глубокое дыхание, резкая одышка, стук в висках, чувство жара во всем теле. Третья стадия: судороги в мышцах грудной клетки и по всему телу, потеря сознания, глубокий сон (без посторонней помощи уже не спастись);
- проветривание помещения несет основную функцию не столько в доставке в него кислорода, сколько избавления от избытка углекислого газа. В потрясающей работе Квашнина И.М. и Гурина И.И высчитывается, сколько воздуха в час нужно заменять в помещении (К вопросу о нормировании воздухообмена по содержанию CO 2 в наружном и внутреннем воздухе.//НП "АВОК", №5, 2008 г. ). Ярые энтузиасты могут вооружиться калькулятором и посчитать, насколько сильно в комнате нужно открывать окно (чтобы зимой при проветривании не мерзнуть, например).

Техника безопасности:
- при открытии подпола, погреба, подвала - не залезать сразу, а дать время для проветривания. Если там хранится картофель - проветривать длительное время: картофель поглощает кислород и выделяет CO 2 , особенно когда прорастает. Случаи смерти от CO 2 картофеля в подвале представлены в СМИ;
- на дне колодца также может содержаться губительная доза CO 2 (особенно, если пересохший);
- ни в коем случае нельзя пользоваться в дыму или в воздухе с высокой концентрацией CO 2 противогазом! При высокой температуре угольный фильтр восстанавливает CO 2 до CO. Для дыхания в таких ситуациях нужен изолирующий противогаз (пожарные ходят с ним, с баллонами на спине), либо противогаз с гопкалитовым патроном (например, РШ-4 с ДП-1). А от попадания частиц пепла в легкие защитит обычный респиратор, лучше многослойный (правда с ним особо не побегаешь).

Косвенные выводы:
- на планете до промышленного бума человечества концентрация CO 2 была около 280ppm. С развитием промышленности эта цифра растет и по сей день, чем современнее - тем быстрее; и в этом году на Гавайях станция наблюдения зафиксировала рекорд в 400ppm;
- повышение CO 2 рождает 2 вещи: на планете становится все более душно (открытие окна лет через 100 может уже не помочь), но в то же время и более растительно (стимулируется рост зеленого растительного покрова Земли, что приводит к увеличению поглощения CO 2 из воздуха). Природа сама регулирует баланс данного вещества; правда, более медленными темпами;
- огромное количество моих труда и времени потрачено как на изучение CO, так и на изучение CO 2 . А это всего лишь два самых простых газа. Уверен, если кислород взять - ещё и не такого узнать можно. Интересно, как сильно в странах ценятся химики...

(добавлено 27.07.2013): включение в той же комнате масляного обогревателя на полную мощность (2кВт) приводит к незначительному повышению CO 2: на 30 единиц. Таким образом, информация о том, что масляные обогреватели не сжигают кислород - истинна.

О проблеме превышения содержания углекислого газа в воздухе помещений говорят все чаще в последние 20 лет. Выходят новые исследования и публикуются новые данные. Поспевают ли за ними строительные нормы для зданий, в которых мы живем и работаем?

Самочувствие и работоспособность человека тесно связаны с качеством воздуха там, где он трудится и отдыхает. А качество воздуха можно определить по концентрации углекислого газа СО2.

Почему именно СО2?

• Этот газ есть везде, где есть люди.
• Концентрация углекислого газа в помещении напрямую зависит от процессов жизнедеятельности человека – ведь мы его выдыхаем.
• Превышение уровня углекислого газа вредно для состояния организма человека, поэтому за ним необходимо следить.
• Рост концентрации СО2 однозначно свидетельствует о проблемах с вентиляцией.
• Чем хуже вентиляция, тем больше загрязнителей концентрируется в воздухе. Поэтому рост содержания углекислого газа в помещении – признак того, что качество воздуха снижается.

В последние годы в профессиональных сообществах врачей и проектировщиков зданий появляются предложения пересмотреть методику определения качества воздуха и расширить перечень измеряемых веществ. Но пока ничего нагляднее изменения уровня CO2 не нашли.

Как узнать, является ли приемлемым уровень углекислого газа в помещении? Специалисты предлагают перечни нормативов, причем для зданий разных назначений они будут различными.

Нормы углекислого газа в жилых помещениях

Проектировщики многоквартирных и частных домов берут за основу ГОСТ 30494-2011 под названием «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». Этот документ оптимальным для здоровья человека уровнем CO2 считает 800 — 1 000 ppm. Отметка на уровне 1 400 ppm – предел допустимого содержания углекислого газа в помещении. Если его больше, то качество воздуха считается низким.

Однако уже 1 000 ppm не признается вариантом нормы целым рядом исследований, посвященных зависимости состояния организма от уровня CO2. Их данные свидетельствует о том, что на отметке 1 000 ppm больше половины испытуемых ощущают ухудшения микроклимата: учащение пульса, головную боль, усталость и, конечно, пресловутое «нечем дышать».

Физиологи нормальным уровнем CO2 считают 600 – 800 ppm.

Хотя некоторые единичные жалобы на духоту возможны и при указанной концентрации.

Выходит, что строительные нормативы уровня СО2 вступают в противоречие с выводами исследователей-физиологов. В последние годы именно со стороны последних все громче раздаются призывы обновить допустимые пределы, но пока дальше призывов дело не идет. Чем ниже норма СО2, на которую ориентируются строители, тем дешевле обходится . А расплачиваться за это приходится тем, кто вынужден решать проблему вентилирования квартиры самостоятельно.

Нормы углекислого газа в школах

Чем больше углекислого газа в воздухе, тем сложнее сосредоточиться и справиться с учебной нагрузкой. Зная об этом, власти США рекомендуют школам поддерживать уровень СО2 не выше 600 ppm. В России отметка чуть выше: уже упомянутый ГОСТ считает оптимальным для детских учреждений 800 ppm и менее. Однако на практике не только американский, но и российский рекомендуемый уровень – голубая мечта для большинства школ.

Один из наших показал: больше половины учебного времени количество углекислого газа в воздухе превышает 1 500 ppm, а иногда приближается к 2 500 ppm! В таких условиях невозможно сосредоточиться, способность к восприятию информации критически снижается. Другие вероятные симптомы переизбытка СО2: гипервентиляция, потливость, воспаление глаз, заложенность носа, затрудненное дыхание.

Почему так происходит? Кабинеты редко проветриваются, потому что открытое окно – это простывшие дети и шум с улицы. Даже если школьное здание оснащено мощной центральной вентиляцией, она, как правило, либо шумная, либо устаревшая. Зато окна в большинстве школ современные – пластиковые, герметичные, не пропускающие воздух. При численности класса 25 человек в кабинете площадью 50–60 м2 c закрытым окном углекислый газ в воздухе подскакивает на 800 ppm за каких-то полчаса.

Нормы углекислого газа в офисах

В офисах наблюдаются те же проблемы, что и в школах: повышенная концентрация СО2 мешает сосредоточиться. Ошибки множатся, и производительность труда падает.

Нормативы содержания углекислого газа в воздухе для офисов в целом те же, что для квартир и домов: приемлемым считается 800 – 1 400 ppm. Однако, как мы уже выяснили, уже 1 000 ppm доставляет дискомфорт каждому второму.

К сожалению, во многих офисах проблема никак не решается. Где-то просто ничего о ней не знают, где-то ее сознательно игнорирует руководство, а где-то – пытается решить при помощи кондиционера. Струя прохладного воздуха действительно создает кратковременную иллюзию комфорта, однако углекислый газ никуда не исчезает и продолжает делать свое «черное дело».

Может быть и так, что офисное помещение построено с соблюдением всех нормативов, но эксплуатируется с нарушениями. Например, плотность размещения сотрудников слишком велика. Согласно строительным правилам, на одного человека должно приходиться от 4 до 6,5 м2 площади. Если сотрудников больше, то и углекислый газ в воздухе накапливается быстрее.

Выводы и выходы

Проблема с вентиляцией наиболее остро стоит в квартирах, офисных зданиях и детских учреждениях.
Тому есть две причины:

1. Расхождение между строительными нормативами и санитарно-гигиеническими рекомендациями.
Первые гласят: не выше 1 400 ppm CO2, вторые предупреждают: это слишком много.

Концентрация CO2 (ppm)	Строительные нормативы (согласно ГОСТ 30494-2011)	Влияние на организм (согласно санитарно-гигиеническим исследованиям)
менее 800	Воздух высокого качества	Идеальное самочувствие и бодрость
800 – 1 000	Воздух среднего качества	На уровне 1 000 ppm каждый второй ощущает духоту, вялость, снижение концентрации, головную боль
1 000 - 1 400	Нижняя граница допустимой нормы	Вялость, проблемы с внимательностью и обработкой информации, тяжелое дыхание, проблемы с носоглоткой
Выше 1 400	Воздух низкого качества	Сильная усталость, безынициативность, неспособность сосредоточиться, сухость слизистых, проблемы со сном

2. Несоблюдение нормативов при возведении, реконструкции или эксплуатации здания.
Самый простой пример – установка пластиковых окон, которые не пропускают уличный воздух и усугубляют тем самым ситуацию с накоплением углекислого газа в помещении.

Воздух состоит, как известно, из молекулярного азота (78%), молекулярного кислорода (21%), аргона (1%), небольшого количества паров воды и еще ряда веществ, содержание которых измеряется сотыми и тысячными долями процента. Среди них и углекислый газ, или, как его предпочитают называть ученые, - диоксид углерода (CO 2). Для удобства содержание CO 2 в воздухе оценивают не в процентах (сотых долях), а в миллионных долях, которые обозначают латинскими буквами ppm (part per million - частиц на миллион). Содержание углекислого газа в атмосфере Земли за всю историю ее существования колебалось в довольно широких пределах (см.: 300 миллионов лет назад углекислого газа в атмосфере было гораздо больше, чем сейчас). Сейчас его концентрация оценивается в 380–390 ppm (или 0,038–0,039%), хотя еще 50 лет назад она составляла всего 310–320 ppm. Основная причина роста содержания углекислого газа в атмосфере за последнее столетие - выбросы его при сжигании ископаемого топлива (нефти, угля, газа), а также сведение лесов.

Само существование жизни на Земле теснейшим образом связано с наличием в атмосфере углекислого газа. Во-первых, углекислый газ, наряду с парами воды и метаном, создает парниковый эффект - обеспечивает сохранение тепла, которое излучает нагретая солнечными лучами земля. Если бы в атмосфере не было парниковых газов, то средняя годовая температура воздуха у поверхности Земли была бы не +15°C, как сейчас, а –23°C.

Во-вторых, углекислый газ - это источник углерода для всех зеленых растений, планктонных микроскопических водорослей и цианобактерий. Используя энергию солнечного света, все эти организмы в ходе фотосинтеза производят из углекислого газа и воды органическое вещество, а в качестве побочного продукта выделяют кислород. Суть процесса фотосинтеза отражается простым уравнением:

CO 2 + H 2 O + энергия → (CH 2 O) + O 2 ,

где (CH 2 O) - обобщенная формула органического вещества.

Однако если в ходе фотосинтеза углекислый газ связывается (соответственно, изымается из атмосферы), то в ходе другого процесса - дыхания - он снова выделяется:

(CH 2 O) + O 2 → CO 2 + H 2 O + энергия .

В современной биосфере подавляющее большинство организмов получают необходимую им энергию именно в процессе аэробного дыхания - окисления органического вещества кислородом. Таким образом, жизнедеятельность множества организмов сама по себе оказывается важным источником углекислого газа. Наибольший вклад вносит дыхание грибов и бактерий, разлагающих отмершее вещество растительных тканей, а также дыхание самих растений (в первую очередь корней).

Сейчас ученые научились очень точно измерять концентрацию углекислого газа в воздухе. В самых разных точках Земного шара, от Аляски до Южного полюса существуют специальные станции, на которых в течение круглого года ведутся наблюдения за всеми изменениями содержания CO 2 . Собранные данные позволили построить трёхмерный график, показывающий зависимость количества углекислого газа в воздухе сразу от двух параметров - географической широты расположения станции и времени года (см. рис. 1).

Задача

Рассмотрите внимательно приведенный выше график сезонных изменений содержания углекислого газа в атмосфере на разных широтах. Обратите внимание на то, что для Северного полушария, особенно - области высоких его широт, характерны необычайно сильные колебания в содержании CO 2 . Максимальные значения отмечаются весной - в апреле–мае, а минимальные - осенью, в сентябре–октябре. В Южном полушарии подъемы и спады количества CO 2 также наблюдаются, но в противофазе тому, что происходит в Северном полушарии, а главное - с совсем незначительной амплитудой.
Задание. Попробуйте объяснить полученную картину. Из-за чего так сильно колеблется содержание углекислого газа в течение года и почему в Северном полушарии размах колебаний значительно больше, чем в Южном?

Если вам трудно разобраться в трёхмерном графике, приведенным выше, посмотрите еще на один (рис. 2). Он ориентирован по-другому: Южное полушарие ближе к вам, а Северное - дальше. Это другие годы, но характер сезонных изменений на разных широтах тот же самый: в Южном полушарии они выражены очень слабо, в Северном - сильно.

Подсказка 1

В качестве подсказки советую взять глобус (лучше даже сломанный, отвалившийся от подставки) и посмотреть на него внимательно со стороны Северного полюса и со стороны Южного. Ниже приведена соответствующая пара рисунков (рис. 3). Вам нужно понять, чем различаются Северное и Южное полушария и как эти различия могут сказаться на процессах поглощения и выделения углекислого газа.

Подсказка 2

Посмотрите на график сезонных изменений содержания углекислого газа, полученный за последние годы на астрофизической обсерватории Мауна-Лоа на острове Гавайи (рис. 4). Хотя это всего 20° с. ш., колебания концентрации CO 2 выражены очень четко. Самая высокая концентрация отмечается в мае, самая низкая - в сентябре-октябре.

Решение

Наверное вы обратили внимание на то, что Северное полушарие - преимущественно континентальное (бо льшую часть его занимает суша), а Южное - океаническое (в центре - покрытая льдом Антарктида, а вокруг - огромное пространство океана). Можно предположить далее, что суша и океан различаются по интенсивности процессов связывания и выделения углекислого газа. Из графика сезонных изменений концентрации CO 2 , полученным на Мауна-Лоа (рис. 4), следует, что в летние месяцы в Северном полушарии количество этого газа сильно снижается (минимум достигается осенью), а в зимние месяцы растет и достигает максимума к весне. Теперь нетрудно догадаться, что уменьшение содержания углекислого газа летом происходит благодаря деятельности растений, а именно - фотосинтезу, в ходе которого CO 2 потребляется. Рост растений, увеличение массы листьев, стеблей и корней происходит за счет углерода, который был поглощен ими из воздуха в форме углекислого газа.

Если за изъятие углекислого газа из атмосферы отвечает фотосинтез, то за его поступление - дыхание всех организмов, в первую очередь бактерий и грибов, разлагающих органическое вещество отмерших растений. Дыхание происходит и весной, и летом, и осенью, а с небольшой интенсивностью - и зимой, по крайней мере в тех местах, где сохраняются положительные температуры. Период вегетации (активного роста растений) в умеренных и высоких широтах ограничен концом весны - началом лета. Но именно тогда количество углекислого газа, связываемого быстро растущими растениями, существенно превосходит количество его, выделяемое в процессе дыхания всех организмов. Поэтому мы и наблюдаем в это время снижение концентрации углекислого газа в воздухе. Затем фотосинтез резко ослабевает, а дыхание всех организмов продолжается, что и приводит к накоплению CO 2 . Еще один дополнительный источник углекислого газа, работающий круглогодично, - это сжигание человеком ископаемого топлива.

Здесь читатель вправе заметить, что процессы фотосинтеза и дыхания имеют место не только на суше, но и в океане. Почему же над океаном мы не наблюдаем столь значительных изменений в содержании CO 2 в воздухе? Ведь наиболее активный фотосинтез происходит в море также весной и в начале лета, когда становится тепло, а главное - светло, и когда в воде содержится еще достаточно много элементов минерального питания (азота и фосфора в доступной форме). На самом деле сезонные колебания концентрации углекислого газа в Южном, океаническом, полушарии также существуют, но протекают они, естественно, в противофазе тому, что происходит в Северном. Удивительно, почему у них такая небольшая амплитуда. Здесь могут работать несколько механизмов.

Во-первых, океан (даже его верхние слои) обладает огромной теплоемкостью, что сглаживает сезонные колебания температуры в сравнении с происходящим на суше. Во-вторых, в воде углекислый газ хорошо растворяется (в холодной лучше, чем в теплой) - то есть существует физико-химический механизм связывания CO 2 ; правда, поверхностные слои океана могут и отдавать CO 2 атмосфере в случае низкого его там парциального давления. В-третьих, и это, пожалуй, самое главное - величина чистой первичной продукции, то есть количество органического вещества, образованного в ходе фотосинтеза автотрофными организмами, в расчете на единицу площади для суши примерно в 2,5 раза выше, чем для океана. Фитопланктон не может обеспечить изъятие из окружающей среды такого количества CO 2 , которое изымает наземная растительность умеренных и северных широт. Колебания в содержании углекислого газа, обнаруживаемые обсерваторией на Мауна-Лоа, определяются прежде всего сезонностью в развитии растительности Евразии и Северной Америки.

Послесловие

Вообще-то, воздушная среда в сравнении с водной очень подвижна. Невольно возникает вопрос: почему перемешивание воздушных масс не выравнивает содержание углекислого газа в атмосфере Земли? Здесь необходимо напомнить, что воздух легко и быстро перемещается в широтном направлении, но не в меридиональном. Поэтому на Гавайских островах можно наблюдать результаты сезонного развития растительности на удаленных материках. Но в направлении «север - юг» мы видим сохранение серьезных различий в содержании CO 2 на разных широтах. Мешает меридиональному переносу ячеистая структура воздушной циркуляции. Воздух в районе экватора нагревается сильнее всего, поэтому он поднимается там вверх, расширяясь, движется к северу и югу, постепенно охлаждается и опускается в обоих полушариях к земле примерно на 30°. Потом этот охлажденный воздух движется у поверхности земли к экватору и замыкает круговорот. Таким образом формируются ячейки Гадлея , названные по имени описавшего их английского ученого XVIII века Джорджа Гадлея (George Hadley). Движение воздушных масс в каждой из этих ячеек заставляет двигаться соседние воздушные массы вниз, а затем к северу и югу (в зависимости от полушария). Это уже ячейки Феррела , названные в честь американского метеоролога XIX века Уильяма Феррела (William Ferrel). Наличие подобной ячеистой структуры циркуляции сильно препятствуют перемешиванию воздушных масс в меридиональном направлении, но не создает препятствий для движения по широте.

ЖЕНЕВА, 24 окт - РИА Новости, Елизавета Исакова. Усредненная концентрация углекислого газа в атмосфере Земли выросла до рекордной отметки в 2015-2016 годах, достигнув существенного значения в 400 частей на миллион, говорится в ежегодном Бюллетене Всемирной метеорологической организации (ВМО) по парниковым газам, опубликованном в понедельник.

Чубайс: нанотехнологии могут снизить мировые выбросы парниковых газов Для снижения эмиссии парниковых газов не обязательно заниматься только энергоэффективностью, заявил председатель правления госкомпании Роснано Анатолий Чубайс.

Согласно данным ВМО, уровни CO2 ранее достигали пороговой отметки в 400 частей на миллион в определенные месяцы года и в определенных точках планеты, однако никогда прежде этот уровень не наблюдался в глобальном среднем масштабе за целый год. По прогнозам станции мониторинга парниковых газов на Мауна-Лоа (Гавайи), концентрации CO2 останутся на уровне выше 400 частей на миллион в течение всего 2016 года, и не опустятся ниже этой отметки в течение жизни многих поколений.

Причиной такого скачка СО2 метеорологи называют мощное явление Эль-Ниньо, которое послужило толчком для развития засух в тропических регионах и уменьшению способности лесов, растительности и океанов поглощать углекислый газ. Эти поглотители в настоящее время вбирают в себя примерно половину выбросов CO2, однако существует риск их насыщения, что приведет к увеличению доли выбрасываемой двуокиси углерода, которая остается в атмосфере.

Помимо сокращения потенциала растительности поглощать CO2, Эль-Ниньо также привел к увеличению объема выбросов углекислого газа в результате лесных пожаров. Объем выбросов CO2 в экваториальной Азии, где в августе-сентябре 2015 года в Индонезии наблюдались масштабные лесные пожары, был более чем вдвое выше средних значений за 1997-2015 годы.

"Без решения проблемы выбросов CO2 мы не сможем решить проблему изменения климата и удержать повышение температуры на уровне ниже 2 °С в сравнении со значениями доиндустриального периода. В этой связи крайне важно, чтобы Парижское соглашение действительно вступило в силу со значительным опережением графика 4 ноября, а также чтобы мы ускорили его осуществление", — заявил генеральный секретарь ВМО Петтери Таалас, комментируя данные, опубликованные в бюллетене ВМО.

На двуокись углерода приходится около 65 % от общего объема радиационного воздействия долгоживущих парниковых газов. Уровень концентрации СО2 в доиндустриальный уровень составлял 278 частей на миллион. Рост среднегодовых концентраций CO2 в 2015 году составил 144 % от доиндустриальных уровней, достигнув отметки в 400 частей на миллион. Прирост CO2 с 2014 года по 2015 года был больше, чем в среднем за предыдущие 10 лет.

Вторым наиболее важным долгоживущим парниковым газом является метан. На него приходится примерно 17 % вклада в радиационное воздействие. В настоящее время его концентрация составляет 256 % от доиндустриального уровня. Концентрация в атмосфере третьего парникового газа — закиси азота - в прошлом году составила около 328 частей на миллиард, что является 121 % от доиндустриальных уровней. Закись азота также играет важную роль в разрушении стратосферного озонового слоя, который защищает нас от пагубного воздействия ультрафиолетовых солнечных лучей.