Каждый аквариумист должен понять - растения состоят из углерода [C] на 40-50% (сухого веса), а в аквариуме без подачи CO2 его настолько мало*, что им просто негде взять основной строительный материал для своих клеток! Это наглядно видно в Таблице состава растений.

Растения используя световую энергию, кислород, углерод и водород осуществляют фотосинтез.
С помощью фотосинтеза углеводы, например глюкоза, получается из двуокиси углерода CO2 по реакции:

CO2 + 6 H2O + 674.000 кал ---> C6H12O6 + 6H2O
или CO2 + 2H2O --> + O2 + H2O

Как видно это невозможно без достаточного количества CO2.
По этой формуле также видно, что процесс фотосинтеза растений требует определенного уровня энергии света (~674,000 кал). Если свет недостаточно яркий, фотосинтез происходить не будет. При уровне освещенности близком к оптимальному **, фотосинтез будет происходить все быстрее и быстрее.

Данные научных исследований (1994) фирмы Tropica () , крупнейшей компании по выращиванию аквариумных растений, показали что в природе при достаточном количестве питательных веществ CO2 + свето являются главными лимитирующими факторами роста растений. При условии насыщения воды всеми питательными веществами, в компании Tropica две недели наблюдали результаты по выращиванию риччии, и получили следующие результаты:
- нет подачи CO2 + низкая освещенность - рост растений = 0. (за две недели почти никакой прибавки массы листьев)
- при малой подаче CO2 + низкой освещенности рост увеличивается в 4 раза (по причине низкой точки компенсации, LCP у водных растений)
- малой подаче CO2 + высокой освещенности рост усиливается в 6 раз.
- при сильной освещенности + высокой подаче CO2 1 грамм риччии вырастет в 6,9 грамм, это дает ежедневный прирост массы на 9,2% ! (см. график)

Если подавать много CO2 при слабой интенсивности света получим совсем незначительное усиление роста растений (зеленая линия), как и при усилении одного только освещения (синяя линяя). Но при сильном свете и высокой концентрации CO2 в воде (~15-25мг/л) эффект просто потрясающий (красная линия). При интенсивности освещения ниже точки компенсации света (LCP) рост растений останавливается и энергии света хватает только на поддержание жизни растения (желтая линия).

Даже средний уровень подачи CO2 в плохо освещенном аквариуме приводит к 4-х кратному увеличению роста растений, потому что может производится больше хлорофилла без фатальных последствий для баланса энергии растения - растение тратит меньше энергии и ресурсов для извлечения CO2 из воды, и остается больше энергии для оптимизации переработки световой энергии в ткани растения. В результате хотя не увеличивалась интенсивность освещения, растение может более эффективно использовать уже имеющийся свет. Очевидно, что выгода от увеличения интенсивности освещения + подачи CO2 превосходит эффект от повышения только одного из них.
Этот график подтверждает истину что каждый фотон независимо от угла падения на лист растения используется для реакции фотосинтеза, т.е. использование в процессе этой реакции молекул CO2 напрямую зависит от интенсивности освещения.
Прим.: одно дело получить максимальный рост, другое - Стабильность .

Из вышеизложенных фактов следует что: интенсивность освещения должна соответствовать количеству подаваемого в аквариум CO2 и наоборот.

Если освещение в аквариуме слабое, все равно стремитесь к достижению концентрации CO2 не менее 15 мг/л (это малая подача)! Еще лучше - всегда поддерживать ~30мг/л.

У подавляющего большинства любителей растений не владеющих правильной методикой недостаток света и отсутствует подача CO2, поэтому темпы роста растений соответствуют желтой линии, в лучшем случае зеленой . Увеличив только свет, вы улучшите рост и получите синюю линию, но в этом случае возникает угроза появления водорослей. И только приведя освещенность в норму и сделав подачу CO2 ускорение роста будет в несколько раз (красная линия )! Это заставит растения расти невиданными темпами.
Зачем это нужно? Во первых - вы не будете ждать несколько месяцев пока композиция приобретет запланированный вид - это произойдет всего за 1,5-3 месяца; во вторых - это дает возможность часто подрезать растения и точно формировать композицию; в третьих - только достаточно молодые листья водных растений имеют идеальное состояние и соответственно, идеальный внешний вид. Только при очень быстром росте растений можно получить совершенный аквариум, подобный работам Takashi Amano .

почему именно co2 ?
Растениям углерод доступен в двух формах: газообразной в виде оксида углерода , и растворенной в воде как бикарбонат . Растения предпочитают потреблять CO2 не из бикарбоната, а как чистый CO2 без больших энергетических затрат, кроме того многие растения не могут напрямую утилизировать бикарбонат для фотосинтеза. Растворенный в воде оксид углерода (CO2 - углекислый газ) дает растениям самый лучший и наиболее легко ассимилируемый источник углерода.

какая концентрация co2 нужна растениям?
Оксид углерода CO2 хорошо растворяется в воде. Концентрация CO2 в воде и воздухе уравнивается при 0,5мг/л. К сожалению CO2 растворяется в воде в десять тысяч раз медленнее чем в воздухе. Эта проблема решается относительно толстым недвижимым слоем (unstirrable layer или Prandtl boundary) который окружает листья водных растений. Недвижимый слой водных растений это слой спокойной воды через которую газы и питательные вещества должны диффундировать чтобы достичь листьев растений. Его толщина около 0,5мм, что в десять раз толще чем для наземных растений.
Как следствие этого, чтобы обеспечить оптимальный фотосинтез водных растений концентрация свободного CO2 в воде должна быть порядка 15-30мг/л , при этом нельзя превышать предельно допустимую концентрацию CO2 для рыб 30мг/л.
Низкая растворимость CO2 в воде, относительно толстый недвижимый слой и высокая концентрация CO2, нужная для обеспечения фотосинтеза подсказали одному ученому утверждение: "Для пресноводных растений, естественный уровень соединений углерода в воде является главным сдерживающим фактором фотосинтеза..." (подробнее см. оптимальное насыщение воды CO2 и )
Прим.: ADA используя диффузор и отключение CO2 на ночь подает углекислоту до значительно больших значений, хотя из-за интенсивного потребления растениями концентрация в воде не превысит 30мг/л. Получаемый туман из мелких пузырьков дает газообразный CO2, что значительно ускоряет рост растений.

co2 и кислород
Вопреки распространенному заблуждению, углекислый газ не вытесняет из воды кислород*** и не ограничивает его доступность для дыхания рыб - они успешно сосуществуют. Наоборот - благодаря хорошему росту растений концентрация кислорода днем, когда растения активно фотосинтезируют, достигает 11 мг/л, что намного выше 100% границы насыщения при температуре воды 24С, и к утру падает только до 8,0 мг/л. Для нормальной жизнедеятельности рыб достаточна концентрация растворенного кислорода в воде 5 мг/л (насыщение 60%). На самом деле в аквариуме с растениями качество среды настолько выше чем в обычном аквариуме, что рыбы будут в значительно лучшей форме, и большинство видов будет размножаться без всякой стимуляции к нересту, а мальки прекрасно вырастают в общем аквариуме (если им подходит тот корм что размножается в общем аквариуме, мелкий циклоп и пр.). При подаче CO2 и pH 7.2-7.5 даже содержание малавийских цихлид дает прекрасные результаты с регулярным размножением в общем аквариуме.

отключение co2 на ночь
Что касается вопроса выключать подачу CO2 на ночь или нет, то здесь есть два мнения. Одни источники утверждают что этого делать не нужно. Считают что если в аквариуме до 1200 литров нормально буферизированная вода (с dKH=2-4), и он не перенаселен рыбами, содержание кислорода к утру остается достаточно высоким (8мг/л), а pH более-менее стабилен. Использование подачи CO2 по ADA при помощи диффузора имеет свои особенности, позволяет отключать подачу газа на ночь без опасений, и дает неожиданно хороший эффект !
Растения потребляют CO2 только во время фотосинтеза, поэтому подача газа ночью просто не нужна. Максимальный фотосинтез происходит утром , когда в воде много свободного CO2, а уровень O2 и солнечной иррадиации наиболее низкие [см. ], поэтому важно утром перед включением света насытить воду углекислотой включив подачу CO2 за 1-2 часа ДО включения света. При Ступенчатом методе освещения активность Rubisco значительно больше и потребность в CO2 утром ниже чем при равномерном и потребление CO2 эффективнее, поэтому включать подачу CO2 за 1-2 часа до включения света не нужно. [см., раздел Metabolic flexibility]
Обычно выбор делается на основании личных предпочтений. Если подавать CO2 методом распыления на ночь ее отключают, если же методом растворения (в канистровый фильтр) то нет, позволяя сэкономить на стеклянном диффузоре и убрать один прибор из аквариума, значительно сократить расход газа, и сделать обслуживание системы проще. Распыление может давать несколько лучший вид растений и очень хорошо очищает воду от взвеси. В любом случае одним из решающих факторов стабильности аквариума является стабильность подачи CO2. Оба варианта работают хорошо.

баланс света и co2
Интенсивность освещения и подача CO2 должны соответствовать друг другу.

Исследования фирмы Tropica подтверждают то, что говорил Takashi Amano для Aqua Journal : "Ватты света должны соответствовать количеству подаваемого CO2. Если свет слишком интенсивный и растения не получают достаточного количества CO2, сильный свет принесет больше вреда чем пользы."

тоже говорит что слишком много света без соответствующей подачи CO2 приносит растениям только вред. Для фотосинтеза растений не всегда нужно очень много CO2, что видно из формулы фотосинтеза: 6 CO2 + 12 H2O --> C6H12O6 + 6 H2O. При этом растения могут выделять кислород (активно фотосинтезировать) даже БЕЗ поступления питательных веществ! Это не может продолжаться долго. Растения становятся все более слабыми несмотря на активный фотосинтез. При этом потребление ими фосфатов и азота из воды уменьшается, а этим сразу воспользуются водоросли.

Если много света но недостаточно CO2, растения не будут активно расти и появятся водоросли. Вносимые жидкие удобрения (например PMDD) еще больше усугубят проблему. С другой стороны если недостаточно света, а CO2 подается много, растения не потребляют CO2 и его концентрация может превысить допустимый предел став токсичной для рыб и беспозвоночных (>30мг/л). Некоторые растения более светолюбивые чем другие, например длинностебельные с очень тонкими листьями. Требуя больше света они, соответственно, требуют и большей подачи CO2 ! Как говорит Takashi Amano, нет сложных и простых растений, просто есть светолюбивые и тенелюбивые - кроме разного необходимого количества света и CO2 они ничем не отличаются. Следует с самого начала создания NA определить мощность флуоресцентных ламп и подачу CO2, чтобы в последующем эти факторы не уменьшали рост растений - будет проще определение их потребности в других питательных веществах. [См. Ole Pedersen, Claus Christensen and Troels Andersen , 1994 www.tropica.com.]

сколько подавать co2

Как сделать pH и насыщение воды CO2 идеальными для растений? Сделать в аквариуме KH=min.4 градуса, и отрегулировать подачу CO2 так, чтобы pH установился на уровне 6,8 утром и 7,2 вечером - в результате средняя концентрация CO2 будет ~15-30мг/л.

pH и KH это то что каждому, кто держит аквариум с растениями абсолютно необходимо понимать. Это два взаимосвязанных понятия.
pHэто мера кислотности воды (acidity). Ее определяет негативный логарифм количества гидроксидных ионов (H+) в воде - чем их больше, тем ниже pH. pH реакция воды может быть кислой (мене 7,0), нейтральной (pH=7,0) или щелочной (pH>7.0).
Карбонатная жесткость kН(т.е. карбонатная жесткость) это мера щелочности воды. KH указывает на способность удерживать pH на определенном уровне, то есть является показателем буферных свойств воды . Она постоянно изменяется, поэтому ее называют временной жесткостью . Значение KH это количество бикарбонатfов в воде, которые нейтрализуют действие постоянно образующихся в аквариуме кислот понижающих pH, удерживая тем самым pH от понижения.

В природе концентрация CO2 в воде редко бывает столь высока как того требует подводный сад, но в естественных водоемах соотношение поверхности воды, через которую поглощается CO2, к массе растений несоизмеримо больше чем в аквариуме, и его запасы постоянно возобновляются течением и выделением из донных отложений. Без искусственного обогащения воды CO2 весь доступный в аквариуме углекислый газ будет использован растениями за первые час-два после включения освещения и рост остановится.

На практике темпы подачи можно определить так (при 100% эффективности реактора):
при kH=2-4 подача должна быть 1 пузырек в минуту на каждые 10л воды в аквариуме. Это даст CO2=7-19мг/л при pH=6.8-7.2.
О том как использовать значительно большую подачу говорилось ¬.

Эти рекомендации дают только ориентировочные безопасные рамки подачи CO2. Наиболее эффективный способ подачи CO2 это метод распыления . Это можно сделать при помощи стеклянного диффузора, диффузора-помпы , или реактора конструкции Tom Barr .

влияние co2 на pH

co2 понижает pH
При подаче CO2 в аквариум в воде образуются небольшие количества угольной кислоты (0.1-0.2%), она диссоциирует на ион и бикарбонат (основа KH), концентрация ионов H+ увеличивается, понижая рН - значит подавая CO2 мы можем понижать рН в аквариуме одновременно давая важнейший питательный элемент для роста растений - углерод [C].
С понижением pH в воде увеличивается доля углерода в форме CO2, т.е. растворенного в воде CO2 становится больше чем бикарбонатов. (см. ниже в разделе "pH") Так как на значение pH влияет карбонатный буфер KH и концентрация CO2 в воде, то взаимосвязь (pH <-> KH <-> растворенный CO2) является жесткой . В связи с тем что pH в основном определяется наличием карбонатного буфера KH, количество подаваемого CO2 зависит от того, кокой нам нужен уровень pH в аквариуме с растениями. То есть в тройке (pH - KH - CO2) pH и KH являются заданными величинами, а подача CO2 будет регулироваться для обеспечения одновременно оптимального уровня pH=6.8-7.2 и концентрации углекислого газа в воде. Для получения оптимальной концентрации CO2=15-30мг/л и pH=6.8-7.2 вода должна быть с исходным KH=2-8, что соответствует воде с общей жесткостью dGH=4-10.

но какими должны быть kH и pH?

pH

Оптимальным для роста растений является pH=6.8-7.2. Почему именно 6,8-7,2?

Растениям нужно много CO2 .
Для хорошего роста растений нужно много CO2. Как говорилось ранее, для растений лучший источник углерода это CO2. Но в воде углерод может существовать в двух формах: углекислого газа CO2 растворенного в воде, и бикарбоната . Растворенный в воде газообразный CO2 непосредственно поглощается ратениями путем диффузии через стенки клеток. Бикарбонат же содержит химически связанный CO2 - то есть НЕ доступный для непосредственного потребления растениями - они должны сначала поглотить HCO3- и уже внутри клеток извлечь CO2. Это сложный и энергоемкий процесс, и не далеко все растения могут это делать (подробнее).

В мягкой и кислой воде с pH<7.0 большинство углерода (~70%) будет находится в виде CO2 прекрасно усваиваемого растениями, и только 30% в виде бикарбоната , то есть: чем ниже pH, тем больше углерода находится в легко доступной для растений форме - растворенном в воде газообразном CO2! Это говорит о том что при равной подаче CO2 в аквариуме с мягкой водой с KH=2-6 (dGH=4-6°) растения получают больше CO2 чем в аквариуме с более жесткой водой.

Стабильность pH при протекании биологических процессов в аквариуме.
Буферизация это результат действия химических свойств слабых кислот. Когда слабая кислота диссоциирует в воде, отношение сформировавшихся пар кислота-основание имеет логарифмическое отношение. Если распечатать график отношения кислота/щелочность (acid-bace ratio) относительно pH, увидим что выше или ниже определенного значения pH, кривая зависимости практически плоская, то есть когда кислоты или основания добавляются в воду, pH не будет существенно изменяться! При определенном pH, называемом точкой равновесия , кривая практически плоская, означая что добавление кислот и оснований очень мало изменят pH. Заметьте что может быть больше чем одна точка равновесия, и они разные для разных кислот.
Нас же интересует угольная кислота , точка равновесия которой pH=6.37 . Это идеальное значение для аквариумных растений, так как желаемый уровень pH чуть-чуть выше этого значения и обычно имеет тенденцию к понижению потому что в аквариуме в процессе нитрификации потребляется много щелочного буфера - бикарбоната HCO3-. Так как начальный уровень pH ВЫШЕ точки равновесия и любое смещение будет по направлению к ней, довольно много кислоты может быть "буферизировано" перед тем как pH упадет ниже этой точки. В этом залог стабильности pH, и таков pH (6.6-7.2), выбранный T. Amano как оптимальный для Nature Aquarium.
Прим.: возможно на этом явлении основан метод Krause определения оптимального pH воды для конкретного аквариума.

Соотношение аммония NH4+ и токсичного аммиака NH3.
аммоний может существовать и в форме аммиака , который очень токсичен для всего живого (токсичен уже при концентрации 0,06 мг/л). Соотношение аммоний NH4+/аммиак NH3 в аквариуме в основном зависит от значения pH. Чем ниже pH, тем меньше токсичного аммиака. При pH=7.0 его только 0,5%, но при повышении pH до 7,5 аммиака уже 4%. То есть в восемь раз больше! Простое правило: при pH больше 7.0 начинает значительно увеличиваться доля токсичного аммиака. При pH=6.8-7.2 в NA будет доля токсичного аммиака в пределах 0,4-0,8%. Так как в NA поддерживается очень низкий уровень аммония/аммиака, то даже при ухудшении ситуации, pH в пределах 6,8-7,2 гарантирует отсутствие токсичного аммиака .

Активность нитрифицирующих бактерий.
При pH=6,6 нитрифицирующая деятельность бактерий составляет примерно 85% от максимального уровня. Это значит что в NA при pH=6.8-7.2 бактерии никогда не работают на максимуме, и при незначительном ухудшении параметров воды всегда смогут немного увеличить активность и справится с увеличившейся нагрузкой, сохранив стабильность аквариума. Таким образом создается такой же запас стабильности, как и в описанном выше примере с точкой равновесия pH. (Наиболее активно нитрификация протекает при pH=7,5-8,5; ниже pH7,5 она замедляется.)

KH

Теперь нужно определить какое должно быть значение KH. Мы выяснили, что в аквариуме для оптимального роста растений нужно поддерживать pH=6.8-7.2.

Мягкая вода с kH=2-5 сама по себе кислая и а в т о м а т и ч е с к и буферизируется на уровне pH=6.0-7.3 потому что большинство углерода в ней содержится в форме углекислого газа а не угольной кислоты , значит во избежание падения pH ниже нормы при подаче углекислого газа минимальный уровень kH до подачи CO2 в аквариум должен быть min.KH=4.0.

Почему не больше? Потому что если начальный уровень kHmax.>7.0, т.е. вода слишком жесткая, она будет иметь начальный pH~7.8, и для достижения нужного уровня pH потребуется превысить предельно допустимую для рыб концентрацию CO2 в 30мг/л. В этом случае просто не получится снизить pH до оптимального уровня.
Если же KH слишком низкий (kH<2), при завышенной подаче CO2 или повышении уровня нитратов возникнет угроза внезапного резкого падения уровня pH ниже 6.8 (т.н. обвал pH), что губительно для растений и рыб.

Для поддержания стабильного pH вода до начала подачи CO2 должна иметь минимальный уровень kHmin.=4 , чтобы в любой момент не исчерпался карбонатный буфер воды, и это не привело к обвалу pH. Есть и другая возможность этого избежать - субстрат с хорошими буферными свойствами который будет буферизировать pH за счет щелочности а не kH.

Далее. Вы помните, что взаимосвязь (pH - kH - CO2) является жёсткой , значит по Таблице 1 зависимости одной величины от другой по требуемому pH и заданному KH можно определить, какая будет концентрация CO2 при выбранных нами kH и pH.

По таблице видно, что при pH=6.8-7.2 и KH=4-5 концентрация CO2 будет 7,6-23,8 мг/л. Подавая в воду такое количество CO2 при KH=4-5 мы получим и оптимальный pH, и оптимальное насыщение воды CO2 для бурного роста растений в аквариуме.

Чем ниже pH (<7.0), тем больше в воде легко потребляемого растениями растворенного CO2, и тем лучше потребление растениями всех остальных питательных веществ. В то же время kH растениям совершенно не важен, важен pH. Часто значение kH равно dH, но бывает что нет. Жесткость воды dH является несущественным фактором и второстепенна для аквариума с растениями. Высокий GH вовсе не подавляет рост растений, часто даже длинностебельные растения растут в воде с жесткостью dH 10-12 лучше чем в мягкой, и вода никогда не должна быть слишком мягкой чтобы не было радикулита .

Важно знать, что подобная взаимозависимость pH/kH/CO2 характерна только для аквариума в котором основным компонентом щелочности является карбонатная жесткость воды kH (с нейтральным грунтом без органики и без растений), в аквариуме же с растениями, с богатым органикой и гуминовыми кислотами грунтом kH в буферной системе играет намного меньшую роль, что делает подобные таблицы и pH-контроллеры бесполезными. Единственный верный способ контролировать концентрацию CO2 - дропчекер с калиброванным раствором kH=4.00.

нужен ли нам вообще kH ?
Увеличение концентрации CO2 в воде вызывает понижение как pH, так и kH. Выше говорилось о том, что при подаче CO2 обязательно должен быть некий минимальный уровень min.kH который не позволит обрушиться (необратимо резко упасть) кислотности pH когда концентрация CO2 достигнет определенной величины что исчерпает весь буфер kH, то есть буферизация pH прекратится. Проблема в том что после такого обвала после снижения подачи CO2 восстановиться kH уже не сможет. То есть нужен щелочной буфер. Это так, но аквариум с растениями может обойтись вообще без kH и иметь достаточный буфер чтобы не было никакого обвала pH.
Например, если мы подаем CO2~30мг/л в очень мягкую воду, pH может быть 5.8, а kH=0. Почему тогда не происходит обвала pH и он стабильно держится? Это происходит потому, что в субстрате и в воде кроме kH (карбонат/бикарбонат) все же есть вещества буферизирующие pH, то есть еще есть щелочность, а щелочность это далеко не только карбонтаная жесткость kH...
Непонимание происходит от того что путают понятия карбонтаной жесткости kH и щелочности вообще (alkalinity). Щелочность и kH совсем не одно и то же. Щелочность это способность раствора сопротивляться падению pH (буферизировать) при добавлении кислоты. Чем выше значение, тем больше щелочность. Она формируется за счет соединений карбонатов, бикарбонатов, боратов, фосфатов, гидроксидов. А KH это только мера количества карбонатов/бикарбонатов в воде. То есть мера щелочности вовсе не обязательно показывает присутствие какого либо из этих соединений, а именно карбонатов/бикарбонатов - kH. Проще говоря, щелочность это способность удерживать pH вообще, а kH это только ее часть - карбонаты/бикарбонаты. То есть отсутствие kH вовсе не означает что раствор не имеет щелочной буферной емкости. KH воды может быть 0-1, но при подаче CO2~30мг/л обвала pH не будет – он будет удерживаться не за счет kH, а за счет других соединений дающих щелочность. Обычно kH образует большинство щелочности в системе, но в аквариуме с растениями это не так. В таких аквариумах pH удерживает буферная емкость субстрата с высоким содержанием гуминовых кислот и органики вроде ADA Aqua Soil или его аналогов , они способны делать это несколько лет. Гуминовые кислоты понижают pH до 6.8 безо всякой подачи CO2, в то же время при подаче CO2 до 30мг/л cистема уравновешивается при pH~6.5. Кроме того, часть kH и буфера субстрата постоянно возобновляется за счет подменной воды .
Но если в буферизированной иной нежели kH щелочностью при kH=0 кислотность pH не зависит от kH, как тогда контролировать концентрацию CO2, ведь тогда нельзя воспользоваться таблицей зависимости pH<->kH ? Только при помощи дропчекера с калиброванным раствором KH=4.00 .
Непонимание этих вещей иногда приводит аквариумистов к покупке самого ненужного прибора для аквариума с растениями - pH-контроллера .
Что касается благополучия растений, то им нужен определенный pH, а kH им безразличен . KH это не общая жесткость воды dH дающая жизненно важные элементы (Ca, Mg), и он никак не влияет на рост растений, только оптимальный диапазон pH 6.8-7.2 улучшает их рост. А большинство рыб подходящих для аквариума с растениями совершенно спокойно относятся даже к pH 5.5. Поэтому kH нам не нужен, но только если есть другой щелочной буфер - в субстрате.

жесткая вода
Для наилучшего роста растений требуется оптимальный pH=6.8-7.2. Если водопроводная вода имеет KH выше чем 7.0dKH, вы не сможете достичь нужного уровня потому что концентрация CO2 превысит предельно допустимую для рыб - 30мг/л. Нужно умягчить воду смешав с водой полученной после фильтрации методом обратного осмоса (KH~0).
Распространенное заблуждение - думать что при подаче CO2 снижение уровня pH в жесткой воде будет намного больше чем в мягкой. Это не так. Что для мягкой, что для жесткой воды при подаче CO2 смещение pH будет почти равным, в том числе и суточные колебания при отключении подачи CO2 на ночь. Достаточно внимательно посмотреть Таблицу kH-pH-CO2.

мягкая вода
Слишком мягкая вода несет в себе две опасности: вероятность обвала pH при подаче CO2, и недостаток Ca+Mg. Мягкая вода обычно (но не всегда!) имеет и очень низкий kH. Если в воде отсутствует щелочной буфер подача CO2 может привести к обвалу pH. Но так как kH является только частью этого буфера, нужно ли повышать карбонатную жесткость воды kH заисит от того какой у вас субстрат. Если это аквариум с растениями c богатым органикой грунтом , kH можно не повышать . В этом случае жесткость воды повышают внося только составляющие постоянной жесткости воды, например Amania GH Booster . Если же вам нужен высокий pH+kH (например вы выращиваете растения в акваруиме с цихлидами), используйте состав повышающий и GH, и kH - Amania GH+KH Booster. Можно также смешать жесткую водопроводную воду с RO-водой для получения воды с требуемым dkH и dH. О повышении жесткости RO-воды смотри в разделе восстановление RO-воды .

что делать, если карбонатная жесткость воды (KH) слишком высока?
Можно умягчить воду до требуемых KH=4 путем очистки жесткой водопроводной воды методом обратного осмоса и смешивая ее с водопроводной.
Если карбонатная жесткость воды dKH намного выше чем требуется (>=7.0), и нет возможности умягчить воду, подавать CO2 нужно до достижения концентрации не более 30мг/л (pH~7.0). Понизить pH до оптимального значения подачей CO2 не получится так как для это придется превысить допустимую концентрацию CO2 для рыб 30мг/л, но это можно сделать используя субстрат подкисляющий воду вроде ADA Aqua Soil . Никогда не используйте для этого ионнобменную колонку!

Пример. В аквариуме вода ДО подачи CO2 была KH=10. Настроим подачу CO2. Затем раз в день измерять pH (в середине осветительного периода аквариума), если pH выше 7,0 понемногу увеличить подачу углекислого газа. Когда подача CO2 будет такой что pH=7,0 это и будет оптимальная подача углекислого газа в ваш аквариум. Еще раз измерить несколько понизившееся от подачи CO2 значение KH, и по таблице узнать концентрацию CO2. При kH=6,0 и pH=7,0 концентрация CO2 будет 18мг/л, причем утром pH будет 6,8 а вечером 7,2.

Влияние фотосинтеза растений на pH в течение суток
В течение суток фотосинтез растений влияет на pH воды в аквариуме. Растения в течение дня фотосинтезируют потребляя небольшое количество угольной кислоты , при этом pH повышается.
Независимо от того, освещено растение или нет, оно дышит 24 часа в сутки. То есть растения постоянно потребляют кислород и производят CO2. Только днем, фотосинтезируя, растения потребляют CO2 и производят кислород как побочный продукт.
В густо засаженном растениями аквариуме, свет включается в 10-00 утром, и выключается в 21-00 вечером. Ночью, когда света нет, растения дышат 11 часов, выделяя CO2 который понижает pH, соответственно pH упадет к утру до 6,8. Когда утром свет включается, растения одновременно и фотосинтезируют и дышат, потребляя CO2 и выделяя кислород - pH начинает повышаться. В полдень pH поднимется до 7,0, и будет продолжать расти вплоть до 21-00 вечера, до 7,2. С выключением света pH снова начнет постепенно падать, потому что растет концентрация CO2. Чем более активно растут растения, тем больше они потребляют CO2 в течение дня, и тем сильнее к вечеру повысится pH.
Т. Амано говорит: "Для определения сколько растения потребляют CO2 можно сравнить уровень pH утром и вечером. Наименьший уровень pH будет утром - перед ВКлючением света, после ночи дыхания рыб и потребления ими кислорода и выдыхания CO2, а наивысший уровень pH будет вечером, перед ВЫключением света, после дня потребления CO2 растениями и производства кислорода. Чем больше эта разница, тем больше потребление CO2 и соответственно здоровее ваши растения." (vectrapoint.com)

Влияние процесса нитрификации на pH
В процессе нитрификации, т.е. процесса преобразования бактериями аммония NH4+ в нитрат NO3, бактерии Nitrosomonas используя NH4+ и бикарбонат HCO3- производят сначала токсичный нитрит NO2- и угольную кислоту H2CO3, а затем Nitrobacter преобразуют нитрит NO2- в безвредный нитрат NO3- в процессе чего на каждый 1мг преобразования аммония потребляется 8.64мг щелочного буфера, а именно бикарбоната HCO3-. При этом при преобразовании промежуточного метаболита азотной кислоты HNO3 до NO3 выделяется H+ что понижает pH. При преобразовании одной молекулы NH4 до NO3 высвобождается два иона H+, упрощенно процесс описывается как: NH4+ + 2O2 => H2O + H+ + H+ + NO3- (см. Understanding soil analysis data 59p.). Более детально для NH4->NO2 бактериями Nitrosomonas: 55NH4++ 76 O2 + 109HCO3- => C5H7O2N + 54NO2-+ 57H2O + 104H2CO3; для NO2->NO3 бактериями Nitrobacter: 400NO2- + NH4+ + 4H2CO3 + HCO3- + 195 O2 => C5H7O2N + 3H2O + 400 NO3- ().
В аквариуме с растениями со временем снижается как карбонатная kH и общая жесткость воды GH, так и pH. При ухудшении роста растений в воде и состояния колонии бактерий в фильтре и грунте процесс нитрификации останавливается на полпути и происходит накопление не только токсичного нитрита NO2-, но и бикарбоната HCO3-, в результате чего pH повышается.

выветривание co2
Углекислый газ очень легко выветривается из воды в окружающий воздух, так же легко как и при взбалтывании бутылки с газированной водой, поэтому нужно полностью исключить движение поверхности воды. Для этого:
- НИКОГДА не аэрируйте воду днем, только ночью
- всегда размещать выходной патрубок канистрового фильтра ниже уровня воды,
- не использовать разбрызгиватель на возврате воды в аквариум из фильтра,
- в случае применения помп для создания движения воды располагать их так, чтобы исключить движение поверхности воды.
Никогда не используйте открытые навесные фильтры типа биоколесо или водопадных как - они сильно выветривают из воды углекислый газ! Некоторые акваскейперы используют и их, но тут важно как его установить. Если повесить его на аквариум с рамкой, так что вода падает с высоты, то он выветривает CO2, если аквариум без рамок и стяжек и носик погружен в воду, то нет.

контроль концентрации co2
Для определения концентрации CO2 в воде достаточно измерить KH воды и ее pH, а затем рассчитать по формуле: CO2 = 3.0 * KH (в градусах) * 10^(7.00 - pH) . Можно также определить по таблице или графику, или с помощью калькулятора. Этот метод имеет большую погрешность и не может служить точным ориентиром.

думать что pH и co2 это одно и то же - опасно
Если падение pH происходит от большого количества СO2 в результате дыхания бактерий в грунте, можно увеличивать подачу CO2. Но если это происходит на фоне высокого уровня нитратов, значит низкий pH вызван плохим биологическим равновесием и нужно увеличить подмену воды, понизить нитрат, и только потом увеличивать подачу CO2.
Слишком высокий pH является типичной "болезнью" аквариума на ранней стадии Setup. T. Amano в разделе о борьбе с водорослями на сайте журнала Aqua Journal обращает внимание на это обстоятельство:
"...на ранних стадиях бактерий недостаточно и pH очень высокий, понизьте pH увеличив подачу CO2." (прим.: но не ранее второй недели setup!) В зрелом аквариуме в грунте и фильтре много бактерий что pH, выделяется больше CO2, и как следствие pH ниже.

* концентрация CO2 всего 2-3 ppm: от жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий разлагающих органику в грунте и канистровом фильтре, дыхания рыб и растений
**расчет мощности флуоресцентных ламп для NA смотри в разделе освещение.
*** смотри раздел роль кислорода.

Статья Ole Pedersen, Claus Christensen and Troels Andersen (2001) ,1994 www.tropica.com ();
она же на англ. в формате.pdf в он-лайн журнале: Interactions between CO2 and light stimulate the growth of aquatic plants. .
из статьи "", by George and Karla Booth, Copyright 2000, www.frii.com/~gbooth/AquaticConcepts/Articles/book.htm#Intro
,
by Dave Hueber t http://www.hallman.org, mailto:[email protected]
Horst, Kaspar, & Kipper, Horst E. (1986). The Optimum Aquarium. Bielefeld, Germany: AD aquadocumenta Verlag GmbH
By Ole Pedersen, Troels Andersen and Claus Christensen, This article first appeared in The 2007 vol. 20 (3) pp 24-33;
Interactions between light and CO2 enhance the growth of Riccia fluitans L.; Andersen T & Pedersen O. (2002); HYDROBIOLOGIA 477: 163-170
Andersen T, Pedersen O (2004) Higher CO2 concentrations alleviate co-limitation of light, N and P on growth in the aquatic liver wort Riccia fluitans L. XXIX SIL Congress. 8-14 August, Lahti, Finland,
by John Whitmarsh, Govindjee
Фотосинтез -
CO2 for Landscaped Aquariums - TFH, 06/00
CO2 Supplementation in thePlanted Tank - TFH, 03/96
на Petfrd.com
, by John LeVasseur
самая большая про CO2 (англ.)
""
www.rexgrigg.com - .
, Tom Barr
, Tropica ()
Understanding the General Chemistry of the Planted Aquarium, Gregory Morin, Ph.D, Seachem ()

Описание:

Еще несколько лет назад в отечественных нормативных документах при проектировании вентиляции в помещениях с пребыванием людей СО2 учитывался только косвенно в удельных нормах воздухообмена. В зарубежных стандартах его концентрация в воздухе помещений служит индикатором содержания других более вредных загрязняющих веществ и соответствующей интенсивности вентиляции.

К вопросу о нормировании воздухообмена по содержанию CO 2 в наружном и внутреннем воздухе

И. М. Квашнин , канд. тех. наук, ведущий специалист НПП «Энергомеханика»

И. И. Гурин , директор компании Alfaintek Oy

В журнале «АВОК», № 4, 2008, была опубликована статья Ю. Д. Губернского и Е. О. Шилькрота «Сколько воздуха нужно человеку для комфорта? », которая вызвала большой интерес у специалистов. Представленный в статье материал показывает, что хотя проблеме нормирования воздухообмена по СО 2 уделяется много внимания, материала для решения этого вопроса пока не достаточно. Данная статья предлагает продолжить обсуждение этой проблеммы.

Еще несколько лет назад в отечественных нормативных документах при проектировании вентиляции в помещениях с пребыванием людей СО 2 учитывался только косвенно в удельных нормах воздухообмена. В зарубежных стандартах его концентрация в воздухе помещений служит индикатором содержания других более вредных загрязняющих веществ и соответствующей интенсивности вентиляции. Высокие концентрации углекислого и других газов в наружном воздухе больших городов приводят к необходимости выбора: либо интенсифицировать воздухообмен, вызывая цепную реакцию увеличения потребления энергоресурсов путем сжигания органического топлива с дополнительным загрязнением атмосферы (в том числе СО 2), либо производить очистку приточного воздуха от газов. Это соответствует последним исследованиям ученых о вреде двуокиси углерода для здоровья людей при повышении концентрации в два–три раза по сравнению с чистым атмосферным воздухом.

По данным современной медицины, в составе метаболических (жизнедеятельностных) выделений организма человека выявлено несколько сотен химических соединений, из которых более двухсот веществ – с поверхности кожи и свыше ста – с выдыхаемым воздухом. Одним из наиболее интересных веществ является углекислый газ. Это относительно безвредный газ по ГОСТ 12.1.007-76 относится к 4 классу опасности, он содержится в небольших количествах в составе чистого атмосферного воздуха. По данным большинства источников, его концентрация составляет примерно 0,03 % от объема (об.), то есть в 1 м 3 содержится 0,3 л, или 0,3/22,4 = 0,01339 моль (по данным БСЭ – 0,0314 % об.). Зная молекулярную массу диоксида азота 44 г/моль, легко определить его массу в 1 м 3 , а именно: 44 х 0,01339 = 0,589 г. Концентрация, соответственно, равна 589 мг/м 3 . В таких количествах углекислый газ необходим для жизнедеятельности человека. По ГОСТ 8050-85 «Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия» плотность газообразной двуокиси углерода составляет 1,839 кг/м 3 , то есть примерно в 1,5 раза больше воздуха. В таблице 1 приведены формулы перевода величин из одних единиц в другие. Как в отечественных нормативных документах, так и в зарубежных отсутствует норматив предельно допустимой концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе. Очевидно, что содержание в воздухе СО 2 будет различным в сельской местности, небольших и крупных городах. Фоновые концентрации определяются выбросами автотранспорта, сжиганием топлива на предприятиях теплоэнергетики и работой промышленных предприятий. Затруднение заключается в том, что мониторинг за уровнем СО 2 службами Центра по гидрометеорологии не ведется. За рубежом углекислый газ, наряду с окислами азота, оксидом углерода, диоксидом серы и летучими органическими соединениями, является типичным загрязняющим веществом, которое подлежит учету при оценке наружного воздуха для проектирования систем вентиляции и кондиционирования. Европейский стандарт ЕН 13779 «Ventilation for non-residential buildings – Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems» в качестве общего базового руководства предлагает принимать концентрацию углекислого газа в сельской местности 350 ppm, в небольших городах 400 ppm, в центрах городов 450 ppm. На самом деле она может быть существенно выше. Например, измерения в центре Москвы в безветренную погоду в конце лета в районе Садового кольца показали, что при достаточно интенсивном движении транспорта уровень СО 2 поднимался до 900 ppm (0,09 % об.). Погуляв несколько часов эту концентрацию и без приборов ощутит на себе каждый в виде головной боли.

Примечание:
С а – числовое значение концентрации в заданных единицах;
С х – числовое значение концентрации в искомых единицах;
М – молекулярная масса газа;
Р – общее давление газовой смеси, Па;
Т – температура, °К.

Одним из способов, широко применяемых на Западе, для определения требуемой интенсивности воздухообмена в общественных зданиях, является использование углекислого газа в качестве индикатора качества воздуха. По его концентрации судят о содержании других веществ, выделяемых человеком, которых в относительных концентрациях (отношение фактической концентрации к ПДК) образуется меньше. При снижении уровня СО 2 разбавлением приточным воздухом одновременно снижается уровень концентрации других веществ. Углекислый газ выбран из-за того, что его концентрацию легко измерить с достаточно высокой точностью и его массовое выделение значительно больше других вредных веществ.

Общеизвестно, что один человек в спокойном состоянии, например работник офиса, за один час потребляет 20–30 л кислорода с выделением 18–25 л углекислого газа, а при занятиях в фитнес- и тренажерных залах – до 36 л и более. Если во вдыхаемом воздухе содержится 0,03 % (об.) СО 2 , то в выдыхаемом – 3,6 % (об.), то есть возрастает более чем в 100 раз. Интенсивно выделяется углекислый газ от газовой плиты при приготовлении пищи. При возрастании содержания в воздухе значения CO2 выше определенной величины человек начинает чувствовать себя дискомфортно, может впадать в дремотное состояние, возникают головные боли, тошнота, чувство удушья. Его влияние настолько постепенное и слабое, что его трудно сразу обнаружить. Этот предел индивидуален для различных людей – мужчин и женщин, детей. Однако до недавнего времени в отечественных документах отсутствовал норматив качества воздуха помещений для углекислого газа. Лишь гигиеническими нормативами в 2006 году введена максимально разовая ПДК равная 13 790 ppm (27 000 мг/м 3) и среднесменная 4 597 ppm (9 000 мг/м 3) для воздуха рабочей зоны производственных помещений. Для сравнения: в США эти цифры составляют 30 000 ppm (58 740 мг/м 3) и 5 000 ppm (9 790 мг/м 3), соответственно. В шахтах на рабочих местах допускается концентрация 0,5 % (об.) или 5 000 ppm. В соответствии с ГОСТ 8050-85 «При концентрациях более 5 % двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека… При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья». Напомним, что максимально разовая и среднесменная концентрация ПДК воздуха рабочей зоны определяются ГОСТ 12.1.005-88 и гигиеническими нормативами ГН 2.2.5.1313-03, ГН 2.2.5.1314-03.

Для помещений жилых и общественных зданий этот норматив по-прежнему отсутствует. Коллизия возникает в связи с тем, что в соответствии со СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» , СанПиН 2.1.2.1002-00 «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям» и др. для этих помещений норматив качества принимается равным для воздуха населенных мест (ГН 2.1.6.1338-03; ГН 2.1.6.1339-03), который, как отмечалось выше, отсутствует. Однако, в отличие от многих других загрязняющих веществ, практически не выделяющихся в помещениях, содержание двуокиси углерода интенсивно увеличивается. Интересно, что еще в справочнике Р. В. Щекина 1976 года приводится расчет требуемого воздухообмена на разбавление СО 2 одним человеком.

Европейский стандарт 2004 года предлагает разделять воздух в помещениях с пребыванием людей на категории качества от IDA 4 – низкое, IDA 2 и 3 – среднее, до IDA 1 – высокое. Предполагается несколько способов определения категории качества. Один из них оценивает превышение уровня СО 2 , как индикатора, в воздухе помещений над наружным воздухом (табл. 2).

Зная местонахождение здания (сельская местность, город) и уровень концентрации СО 2 в наружном воздухе легко определить его расчетное содержание в воздухе помещения. Далее приводятся рекомендации по установке определенных классов фильтров, как правило, не менее двух ступеней, для достижения необходимой чистоты воздуха в соответствии с требуемой категорией качества IDA. Это касается не только твердых пылевых частиц, но и основных газов: NO x , SO 2 , полициклических ароматических углеводородов и летучих органических соединений. Стандарт гласит: «В городской среде рекомендуется использование молекулярных (газовых) фильтров». Отметим, что по представлению ассоциации АСИНКОМ европейский стандарт принят без изменений как отечественный ГОСТ Р ЕН 13779-2007 «Вентиляция в нежилых зданиях. Технические требования к вентиляции и кондиционированию». ФГУП СТАНДАРТИНФОРМ объявило о том, что он вводится в действие с 1 октября 2008 года.

Допустимое приемлемое значение содержания углекислого газа в помещениях с пребыванием людей было установлено гигиенистами и принято, например, стандартом ASHRAE 62-1989 на уровне 1 000 ppm (1 958 мг/м 3) или 0,1 % (об.). На эту величину опираются многие авторы при расчетах воздухообмена. Это значение фигурирует в СП 2.5.1198-03 «Санитарные правила по организации пассажирских перевозок» для железнодорожных вокзалов и СанПиН 2.5.1.051-96 «Условия труда и отдыха для летного состава гражданской авиации» для кабин воздушных судов. Зная выделение СО 2 одним человеком в офисе – 18 л/ч (0,005 л/с) или 35 200 мг/ч по формуле (Л.2) СНиП 41-01-2003 требуемый расход приточного воздуха для одного человека равен

L = 35 200 / (1 958 – 589) = 25,7 м 3 /ч.

В единицах л/с и ppm L = х 106 = 7,14 л/с.

Первым отечественным документом, в котором предпринята попытка регламентировать содержание СО 2 в наружном и внутреннем воздухе, является стандарт АВОК «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена» . В качестве рекомендуемой справочной предлагается предельно допустимая концентрация в наружном воздухе: сельская местность – 332 ppm (650 мг/м 3), малые города – 409 ppm (800 мг/м 3), большие города – 511 ppm (1 000 мг/м 3). Верхний допустимый предел концентрации СО 2 в помещениях жилых и общественных зданий не должен превышать концентрацию в наружном воздухе на 638 ppm (1 250 мг/м 3). В этом случае требуемый воздухообмен на 1 человека составит 28 м 3 /ч.

В результате последних исследований, проведенных индийскими учеными в городе Калькутта , было выяснено, что так же, как NO 2 , СО 2 является потенциально токсичным для человека даже в низких концентрациях, принимая во внимание его воздействие на клеточную мембрану и биохимические изменения, такие, как увеличение напряжения CO 2 в крови, увеличение концентрации ионов бикарбоната в крови и моче, ацидоз и т. д. Для выявления того, как влияет уровень СО 2 в воздухе на процессы в организме человека, были проведены замеры уровня бикарбоната в крови и в моче человека. Всего было исследовано 593 человек из жилого, коммерческого и промышленного районов города и контрольной зоны, находящейся в экологически чистой сельской местности. Уровень бикарбоната в сыворотке крови – биологический показатель влияния СО 2 – оказался в среднем на 60 % выше у жителей Калькутты, чем у жителей сельских районов, причем самым высоким он был у жителей промышленной зоны. В городе Калькутта СО 2 присутствовал в воздухе в концентрациях от 0,03 до 0,06 %. Уровень вентиляции в помещениях был адекватным почти в 75 % жилых и рабочих помещений. Принимая во внимание то, что увеличение уровня СО 2 в атмосфере ведет к увеличению его концентрации в воздухе помещения, можно сказать, что он может явиться причиной увеличение уровня бикарбоната в крови.

В своих работах , английский ученый D. S. Robertson пишет, что уровень углекислого газа в атмосфере, при котором человечество может выжить, значительно ниже, чем предполагалось, поэтому безопасный для человека уровень углекислого газа требует пересмотра. Он рассчитал максимальный безопасный для человека уровень углекислого газа в атмосфере, составляющий 426 ррm. Ученый также считает, что под влиянием углекислого газа, уровень которого выше указанной цифры, происходит снижение величины pH в сыворотке крови, что ведет к ацидозу. Симптомы начальной степени ацидоза следующие: состояние перевозбуждения и умеренная гипертензия. Далее к ним добавляются сонливость и состояние беспокойства и как следствие уменьшение желания проявлять физическую активность. Существует вероятность того, что когда концентрация углекислого газа в атмосфере достигнет 426 ppm, а это может случиться раньше, чем через два поколения, здоровье, по крайней мере, некоторой части населения Земли, ухудшится.

Финские ученые под руководством Olli Seppanen провели 21 эксперимент на основе более 30 000 испытуемых по исследованию влияния концентрации углекислого газа. Если уровень углекислого газа в офисном помещении был ниже 800 ppm (0,08 % об.), такие симптомы, как воспаление глаз, заложенность носа, воспаление носоглотки, проблемы, связанные с дыхательной системой, головная боль, усталость и сложность с концентрацией внимания, которые возникали у сотрудников при более высокой концентрации СО 2 , значительно снижались.

В пресс-релизе ежегодной конференции Европейского респираторного общества в 2006 году были опубликованы результаты исследований, проведенных в пяти странах ЕЭС группой итальянских ученых. Исследования показали, что 68 % детей испытывают на себе негативное влияние СО 2 выше уровня 1 000 ppm. У них наблюдалось тяжелое дыхание, одышка, сухой кашель и ринит чаще, чем у других детей. Были сделаны следующие выводы: у детей, находящихся в помещении с высоким уровнем СО 2 , в 3,5 раза выше риск возникновения сухого кашля и в 2 раза – развитие ринита. Они имеют более уязвимую носоглотку, чем их ровесники.

В исследовании корейских ученых о влиянии концентрации СО 2 в помещении на приступы астмы у детей, в домах и квартирах, где живут дети больные астмой, замерялся уровень содержания веществ, которые считаются основными загрязнителями воздуха в помещении, таких как СО, NO 2 , аллергены и СО 2 . В результате данных исследований были сделаны выводы о том, что самым важным фактором, влияющим на возникновение приступов астмы у детей, является только уровень концентрации СО 2 .

Принимая допустимую концентрацию СО 2 в наружном воздухе мегаполиса 450 ppm, а оптимальную во внутреннем воздухе 800 ppm требуемый воздухообмен на 1 человека составит

L = 106 = 14,29 л/с = 51,4 м 3 /ч.

Реально концентрация в наружном воздухе может быть еще выше, а внутри помещения могут быть другие источники выделения СО 2 , например при приготовлении пищи. При разности содержания СО 2 в наружном и внутреннем воздухе 100 ppm требуемый воздухообмен составит 180 м 3 /чел., что превышает разумные пределы.

В качестве одной из мер новый американский стандарт ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2004 предусматривает динамическое изменение режимов работы вентиляции жилых и общественных зданий. Это реализуется средствами DCV (Demand-Controlled Ventilation, DCV), путем регулирования количества подаваемого свежего воздуха сверх минимально необходимого по мере изменения реально складывающейся обстановки, определяемой количеством людей, присутствующих внутри вентилируемого объема. Объективной предпосылкой к использованию в отечественной практике является значительное удешевление за последние годы инверторных схем управления скоростью вентилятора путем использования все более доступных частотно-регулируемых приводов. Технология DCV доступно рассмотрена в статье . Однако такой мерой не всегда можно добиться эффективного результата.

О другой мере по снижению содержания вредных газов в воздухе помещений П. Оле Фангер писал в своей статье : «Очистка внутреннего воздуха от газообразных загрязняющих веществ представляет собой многообещающий метод повышения качества воздуха и частичного замещения вентиляции. Разрабатываются различные методы очистки воздуха, включая сорбцию и фотокатализ. Было показано, что последний метод обладает значительной эффективностью фильтрации, которая была зафиксирована при фильтрации отдельных химических веществ, присутствующих в воздухе. Для типичной смеси из сотен химических веществ, присутствующих внутри здания в очень малых концентрациях, при использовании указанных двух методов может быть реально достижимой эффективность очистки более 80 %, то есть очистка может снизить концентрацию загрязняющих веществ и повысить качество внутреннего воздуха в пять раз. При этом очевидно, что для повышения эффективности очистки для типичных источников загрязнения внутреннего воздуха необходимы дополнительные разработки технологии очистки и проведение дальнейших исследований».

Фотокаталитическое окисление (ФКО) является очень многообещающей технологией для уменьшения летучих органических соединений (ЛОС) в воздухе помещения. Однако исследования, проведенные Национальной лабораторией Л. Беркли в 2005 и 2007 годах, показали, что метод фотокаталитического окисления уменьшает количество ЛОС в воздухе помещения, но производит формальдегид как побочный продукт. Ученые считают, что для применения данного метода необходимо провести дальнейшее изучение, с тем чтобы либо уменьшить количество формальдегидов и ацетальдегидов, получаемых в результате реакции, либо соединить эту технологию с применением газоочистителей, для того чтобы улавливать токсичные побочные продукты до того, как они попадут в помещение. К этому необходимо добавить, что ФКО не удаляет углекислый газ, а наоборот – добавляет его в помещение, так как конечными продуктами реакции должны быть СО 2 и вода.

В настоящее время наиболее безопасными для очистки воздуха от газов в помещениях, где находятся люди, можно считать фильтры, основанные на методе адсорбции загрязняющих веществ в составе приточных вентиляционных установок. В качестве фильтрующего элемента используют активированный уголь и высокоэффективные материалы. Такие фильтры уже предлагаются на климатическом рынке.

Если возможность поддержания качества воздуха на высоком уровне при помощи вентиляционных систем не представляется возможным, можно удалять его избыток бытовыми адсорберами углекислого газа.

Выводы

1. Углекислый газ является токсичным для человека даже в относительно низких концентрациях. Его нельзя рассматривать только как индикатор эффективности вентиляции. Наилучшим для человека в помещении является уровень углекислого газа, максимально приближенный к атмосферному.

2. Концентрация СО 2 требует постоянного контроля в помещениях с пребыванием людей в промышленных городах и крупных мегаполисах, где промышленность и транспорт постоянно загрязняют атмосферный воздух углекислым и другими газами. Особенно это касается детских учреждений и других общественных зданий.

3. Рост углекислого газа в атмосфере, особенно в крупных городах из-за выбросов автотранспорта, предприятий энергетики и промышленности, вызывает необходимость в увеличении воздухообмена в помещениях с пребыванием людей. Это приводит к повышенным затратам энергии и увеличению выбросов СО 2 при ее выработке. Выход из ситуации заключается в достижении разумного оптимума между количеством приточного наружного воздуха и требуемой очисткой от углекислого и других газов.

Литература

1. ГОСТ 8050-85. Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия.

2. Стандарт EN 13779:2004. Ventilation for non-residential buildings – Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems.

3. Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.2100-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны (дополнение N 2 к ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны).

4. РД-06-28-93. Правила безопасности при строительстве (реконструкции) и горнотехнической эксплуатации размещаемых в недрах объектов, не связанных с добычей полезных ископаемых.

5. СанПиН 2.2.3.570-96. Гигиенические требования к предприятиям угольной промышленности и организации работ.

6. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

7. СанПиН 2.1.2.1002-00. Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям.

8. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. Книга вторая. Вентиляция и кондиционирование воздуха / Р. В. Щекин и др. – Киев: Будiвельник, 1976.

9. СП 2.5.1198-03. Санитарные правила по организации пас-сажирских перевозок.

10. СанПиН 2.5.1.051-96. Условия труда и отдыха для летного состава гражданской авиации.

11. АВОК СТАНДАРТ – 1 2002. Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2002.

12. Dr. R. N. Chaudhuri, Dr. D. Sengupta. Report of the research project on evaluation of environmental N02, C02, benzene and lead exposures of Kolkata population by biological monitoring techniques.

13. D. S. Robertson. Health effects of increase in concentration of carbon dioxide in the atmosphere. Current science, vol. 90, no. 12, 25 june 2006.

14. D. S. Robertson. The rise in the atmospheric concentration of carbondioxide and the effects on human health. Med. Hypotheses, 2001, 56.

15. Olli Seppanen. Энергоэффективные системы вентиляции для обеспечения качественного микроклимата помещений // АВОК. – 2000. – № 5.

16. Stanke. В библиотеку проектировщика. Технологии DCV в системах вентиляции // Мир климата. – № 43.

17. П. Оле Фангер. Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате, и его влияние на здоровье, обучение и производительность труда людей // АВОК. – 2006. – № 2.

18. C. D. Keeling, T. P. Whorf. Atmospheric carbon dioxide record from Mauna Loa. Period of record 1958–2003. Carbon Dioxide Research Group, Scripps Institution of Oceanography, University of California, Internet source.

Вячеслав Викторович Алексеев, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии географического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова. Специалист в области математического и физического моделирования геофизических систем.

Софья Валентиновна Киселева, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник той же лаборатории. Занимается физическим моделированием процессов переноса углекислого газа, проблемами современных изменений климата.

Надежда Ивановна Чернова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник той же лаборатории. Занимается экологическими аспектами применения солнечной энергии, проблемами рационального использования природных ресурсов.

В начале 1998 г. бывший президент Национальной академии наук США Ф.Зейтц представил на рассмотрение научной общественности петицию, призывающую правительства США и других стран отклонить подписание достигнутых в Киото в декабре 1997 г. соглашений об ограничении выбросов парниковых газов. К петиции прилагался информационный обзор под названием “Влияние на окружающую среду роста содержания диоксида углерода в атмосфере” . В нем содержался подбор опубликованных результатов научных исследований, призванный доказать не только отсутствие эмпирических данных, подтверждающих предсказываемое многими учеными будущее потепление климата, но и несомненный выигрыш для человечества от роста парниковых газов. В обзоре были выдвинуты следующие тезисы.

Наблюдаемый ныне рост СО 2 в атмосфере происходит после почти 300-летнего периода потепления. Поэтому этот рост может быть не результатом деятельности человека, а следствием естественного процесса - интенсификации выделения СО 2 океаном при увеличении температуры воды. Кроме того, по сравнению с ежегодным антропогенным поступлением в атмосферу углерода (5.5 Гт) его содержание даже в резервуарах подвижного фонда (в атмосфере - около 750 Гт, поверхностных слоях океана - 1000 Гт, околоземной биоте, включая почвы и детрит, - около 2 200 Гт) столь велико, что антропогенный фактор роста СО 2 в атмосфере трудно признать значимым.

Далее авторы обзора приводят многочисленные данные спутниковых измерений температуры нижней тропосферы (на высоте около 4 км) за период 1958-1996 гг. и отмечают, что начиная с 1979 г. наблюдается слабый отрицательный тренд средней глобальной температуры (–0.047°С за 10 лет). В США же за последние 10 лет приземная температура воздуха уменьшилась на 0.08°С.

В то же время данные метеостанций дают положительные тренды температур приземного слоя (+0.07°С за 10 лет). Расхождения в результатах приводят к тому, что моделирование будущих изменений климата, основанное на данных о росте температуры, приводит к неверным прогнозам. Обсуждая компьютерные модели парникового эффекта и потепления климата, авторы обзора подчеркивают, что климат - сложная, нелинейная динамическая система. Неопределенности влияния, например, океанических поверхностных течений, переноса тепла в океане, влажности, облачности и т.п., по мнению авторов, столь велики в сравнении с воздействием СО 2 , что модельные оценки современного температурного хода существенно расходятся с имеющимися эмпирическими данными. Многочисленные обратные связи климатической системы, неудовлетворительно отражаемые в моделях, также приводят к ошибкам в прогнозах и несоответствию с реальностью.

Критикуя качество данных наземного измерения температуры воздуха, авторы обзора ссылаются на тепловое воздействие урбанизированных территорий, которое искажает действительную картину взаимосвязи роста концентрации парниковых газов и изменений температуры атмосферы. В современных изменениях климата нет ничего необычного; это лишь естественные изменения, вызванные как внутренними земными вариациями, так и внешними - в частности, колебаниями солнечной активности. Спутниковые данные, полученные, правда, всего за четыре года (1993-1997), по утверждению авторов, не показывают каких-либо изменений уровня океана, как это предсказывают модели глобального потепления. Число сильных тропических ураганов в Атлантике за период 1940-1997 гг. и максимальная скорость ветра в них снизились, что также противоречит и идее глобального потепления, и модельным результатам.

Здесь следует подчеркнуть, что общепризнано существование более десятка климатообразующих факторов. Как наиболее существенные выделяются следующие:

В исследовании В.В.Клименко с коллегами было проанализировано воздействие этих факторов на радиационный баланс в пределах десятилетия и последнего столетия. При рассмотрении вековой изменчивости климата оказалось, что именно накопление парниковых газов в атмосфере определило произошедшее повышение среднеглобальной температуры на 0.5°C. Однако авторы подчеркивают, что объяснение нынешних и будущих изменений климата только антропогенным фактором покоится на весьма шатком фундаменте, хотя его роль со временем, безусловно, возрастает.

Определенный интерес представляет недавняя работа С.Корти с сотрудниками, в которой наблюдающееся потепление в Северном полушарии также связывается в основном с естественными изменениями в режимах циркуляции атмосферы . Правда, ее авторы подчеркивают, что этот факт не может служить доказательством отсутствия антропогенного воздействия на климат. Детальный модельный анализ роли тех же климатических факторов в повышении средней приземной температуры воздуха был проведен недавно английскими учеными . Их результаты показывают, что потепление атмосферы в первой половине XX в. (между 1910 и 1940 гг.) происходило в основном из-за колебания солнечной активности и в меньшей степени антропогенных факторов - парниковых газов и тропосферного сульфат-аэрозоля. Что касается периода 1946-1996 гг., то здесь естественные вариации солнечной и вулканической активности оказывают лишь второстепенное воздействие на климат по сравнению с антропогенным влиянием.

Влияние главных климатообразующих факторов на изменение средней глобальной приземной температуры. Оценки вкладов с указанием разбросов значений: парниковых газов и сульфат-аэрозолей (белые прямоугольники); солнечной активности (заполненные точками) и их совместного влияния (заштрихованные). Черными прямоугольниками показаны результаты инструментальных наблюдений. (Tett S.F.B., Stott P.A. et al. 1999.)

Анализ теплой биосферы мелового периода как аналога прогнозируемого потепления, проведенный Н.М.Чумаковым, показал, что воздействия основных климатообразующих факторов (помимо углекислого газа) недостаточно для объяснения потепления такого масштаба в прошлом . Парниковый эффект необходимой величины отвечал бы многократному увеличению содержания СО 2 в атмосфере. Толчком грандиозных климатических изменений в этот период развития Земли, вероятнее всего, стала положительная обратная связь между ростом температуры океанов и морей и увеличением концентрации атмосферной углекислоты.

Большое внимание в упомянутом обзоре уделено СО 2 как “удобрению”. Авторы приводят данные об ускорении роста растений при повышенном содержании углекислого газа в атмосфере. В частности, реакция молодых деревьев сосны, молодых апельсиновых деревьев, пшеницы на увеличение содержания СО 2 в окружающей среде в диапазоне от 400 до 800 ppm почти линейна и положительна. Отсюда авторы делают вывод о том, что эти данные можно легко перенести на различные уровни обогащения СО 2 и на различные виды растений. К воздействию возрастающего количества углекислого газа в атмосфере авторы относят и увеличение массы лесов США (на 30% с 1950 г.). Указывается, что больший стимулирующий эффект рост СО 2 производит на растения, произрастающие в более засушливых (стрессовых) условиях. А интенсивный рост растительных сообществ, как утверждают авторы обзора, неизбежно приводит к увеличению суммарной массы животных и оказывает положительное воздействие на биоразнообразие в целом. Отсюда следует оптимистичный вывод: “В результате увеличения атмосферного СО 2 мы живем во все более и более благоприятных условиях окружающей среды. Наши дети будут наслаждаться жизнью на Земле с гораздо большим количеством растений и животных. Это замечательный и непредвиденный подарок от индустриальной революции”.

Все же нам представляется, что многие из прилагаемых к петиции данных достаточно противоречивы.

Вместо потепления - похолодание?

Безусловно, колебания уровня СО 2 в атмосфере имели место и в прошлые эпохи, однако никогда эти изменения не происходили столь быстро. Но если в прошлом климатическая и биологическая системы Земли в силу постепенности изменений состава атмосферы “успевали” перейти в новое устойчивое состояние и находились в квазиравновесии, то в современный период при интенсивном, чрезвычайно быстром изменении газового состава атмосферы все земные системы выходят из стационарного состояния. И если даже встать на позицию авторов, отрицающих гипотезу глобального потепления, нельзя не отметить, что последствия такого “выхода из квазистационара”, в частности климатические изменения, могут быть самыми серьезными.

Кроме того, согласно некоторым прогнозам, после достижения максимума концентрации СО 2 в атмосфере она начнет падать из-за уменьшения антропогенных выбросов, поглощения углекислоты Мировым океаном и биотой. В этом случае растениям вновь придется адаптироваться к изменившейся среде обитания.

В обзоре безусловно верно замечено, что при моделировании последствий роста СО 2 и других парниковых газов в атмосфере, а также в современных теоретических построениях не учитываются многие обратные связи климатических систем, что приводит к неверным прогнозам и даже, как уверяют авторы, к ошибочности самой идеи глобального потепления. Однако, по нашему мнению, это должно приводить не к отрицанию возможного потепления климата, а к вероятности возникновения непредсказуемых климатических последствий (например, противоположного эффекта - похолодания в ряде районов земного шара).

В связи с этим чрезвычайно интересны некоторые результаты математического моделирования сложных последствий возможного изменения климата Земли. Эксперименты с трехмерной моделью объединенной системы океан-атмосфера, проведенные американскими исследователями, показали, что в ответ на потепление термохалинная северо-атлантическая циркуляция (Северо-Атлантическое течение) замедляется . Критическая величина концентрации СО 2 , вызывающая такой эффект, лежит между двумя и четырьмя доиндустриальными величинами содержания СО 2 в атмосфере (она равна 280 ppm, а современная концентрация составляет около 360 ppm).

Используя более простую модель системы океан-атмосфера, специалисты провели детальный математический анализ описанных выше процессов . Согласно их расчетам, при росте концентрации углекислого газа на 1% в год (что соответствует современным темпам) Северо-Атлантическое течение замедляется, а при содержании СО 2 , равном 750 ppm, наступает его коллапс - полное прекращение циркуляции. При более медленном росте содержания углекислоты в атмосфере (и температуры воздуха) - например на 0.5% в год, при достижении концентрации 750 ppm циркуляция замедляется, но затем медленно восстанавливается. В случае ускоренного роста парниковых газов в атмосфере и связанного с ним потепления Северо-Атлантическое течение разрушается при более низких концентрациях СО 2 - 650 ppm. Причины изменения течения в том, что потепление наземного воздуха вызывает рост температуры поверхностных слоев воды, а также повышение давления насыщенного пара в северных районах, а значит, и усиленную конденсацию, из-за чего возрастает масса распресненной воды на поверхности океана в Северной Атлантике. Оба процесса приводят к усилению стратификации водяного столба и замедляют (или вовсе делают невозможным) постоянное формирование холодных глубинных вод в северной части Атлантики, когда поверхностные воды, охлаждаясь и становясь более тяжелыми, опускаются в придонные области и затем медленно перемещаются к тропикам.

Исследования такого рода последствий потепления атмосферы, проведенные недавно Р.Вудом с сотрудниками, дает еще более интересную картину возможных событий. Помимо уменьшения общего атлантического переноса на 25% при современных темпах роста парниковых газов произойдет “отключение” конвекции в Лабрадорском море - одном из двух северных центров формирования холодных глубинных вод. Причем это может иметь место уже в период от 2000 до 2030 г.

Эволюция максимального погружения меридионального потока Северо-Атлантического течения (результаты расчетов по пяти сценариям глобального потепления). I - концентрация СО 2 достигает 560 ppm, поток слегка ослабевает, затем восстанавливается; II, IV - концентрация СО 2 - 650 и 750 ppm, скорость роста СО 2 1% в год, циркуляция разрушается; III, V - 650 и 750 ppm, скорость роста 0.5% в год, поток ослабевает, затем восстанавливается на более низком уровне.

Указанные колебания Северо-Атлантического течения могут повлечь за собой весьма серьезные последствия. В частности, при отклонении распределения потоков тепла и температуры от современного в атлантическом регионе Северного полушария средние температуры приземного воздуха над Европой могут существенно понизиться. Более того, изменения в скорости Северо-Атлантического течения и нагрева поверхностных вод могут уменьшить поглощение океаном СО 2 (по расчетам упомянутых специалистов - на 30% при удвоении концентрации углекислого газа в воздухе), что следует учитывать и в прогнозах будущего состояния атмосферы, и в сценариях выбросов парниковых газов. Существенные изменения могут произойти и в морских экосистемах, включая популяции рыб и морских птиц, зависящих не только от специфических климатических условий, но и от питательных веществ, которые выносятся к поверхности холодными океаническими течениями. Здесь мы хотим подчеркнуть чрезвычайно важный момент, упомянутый выше: последствия роста парниковых газов в атмосфере, как видно, могут быть гораздо сложнее, чем однородное потепление приземной атмосферы.

Возможное нарушение экосистем

При моделировании обмена углекислым газом приходится учитывать и воздействие на газоперенос состояния границы раздела океана и атмосферы . В течение ряда лет в лабораторных и натурных экспериментах мы исследовали интенсивность переноса СО 2 в системе вода-воздух. Рассматривалось воздействие на газообмен ветроволновых условий и дисперсной среды, образующейся вблизи границы раздела двух фаз (брызги над поверхностью, пена, воздушные пузырьки в толще воды). Оказалось, что скорость газопереноса при изменении характера волнения от гравитационно-капиллярного к гравитационному существенно увеличивается. Этот эффект (помимо повышения температуры поверхностного слоя океана) может внести дополнительный вклад в поток углекислоты между океаном и атмосферой. С другой стороны, существенным стоком СО 2 из атмосферы являются осадки, интенсивно вымывающие, как показали наши исследования, помимо других газовых примесей и углекислый газ. Расчеты с использованием данных о содержании растворенного углекислого газа в дождевой воде и годовой сумме осадков показали, что в океан ежегодно с дождями может поступать 0.2-1 Гт СО 2 , а общее количество углекислого газа, вымываемого из атмосферы, может достигать величины 0.7-2.0 Гт.

Возвращаясь к тезисам авторов приложения к петиции, отметим, что наиболее спорными представляются данные о благотворности роста СО 2 для зеленых растений. Дело в том, что существует целый ряд научных данных, согласно которым повышение концентрации СО 2 в атмосфере даже без учета глобального потепления способно привести к значительному изменению структуры и функционирования экосистем, что может быть неблагоприятно для растений . Положительная реакция на повышенное содержание углекислого газа в воздухе, наблюдаемая у отдельного растения, вовсе не обязательно означает, что будет иметь место усиленный рост растительных сообществ в целом.

Соображения авторов о роли СО 2 как стимулятора роста коренится в деталях фотосинтеза. Действительно, повышение концентрации углекислого газа может интенсифицировать этот процесс и, следовательно, способствовать росту растения. Пользу от этого извлекают так называемые С 3 -растения, к которым относятся практически все деревья и многие из основных сельскохозяйственных культур: рис, пшеница, картофель, бобовые. У С 3 -растений на первой стадии фиксации молекула СО 2 связывается с рибулозодифосфатом, содержащим 5-углеродный сахар. В результате реакции, происходящей под действием фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы, образуется короткоживущее нестабильное соединение, включающее 6-углеродный сахар. Оно распадается на два производных, которые содержат по три атома углерода - отсюда и название “С 3 -растения”. С диоксидом углерода за активный центр рибулозодифосфаткарбоксилазы конкурирует кислород атмосферного воздуха. Если побеждает О 2 , растение теряет энергию, так как во время утилизации кислорода не происходит фиксации СО 2 . По мере же увеличения концентрации углекислого газа вероятность его “выигрыша” в конкуренции с О 2 за связывание с активным центром фермента повышается. Действительно, в ряде экспериментов, когда концентрация СО 2 устанавливалась на уровне 600 ppm, фотореспирация снижалась на 50%, а ее ограничение означает, что растение может использовать больше своей энергии на построение тканей. Однако у этих растений в условиях возросшей концентрации СО 2 повышенный фотосинтез наблюдается в начальной стадии экспериментов, но после временной активации наступает его торможение. Транспортная система растения полигенна, зависит от многих факторов (энергетических, гормональных и др.) и не может быстро перестроиться. Поэтому при длительном воздействии на растение СО 2 в условиях повышенной концентрации фотосинтез снижается из-за избыточного накопления крахмала в хлоропластах .

Но тем не менее в практике доказано значительное увеличение роста и накопления биомассы у растений, выращенных при повышенной концентрации диоксида углерода, хотя со временем интенсивность фотосинтеза падает, приближаясь к тому, что наблюдается у растений, живущих в атмосфере с нормальным газовым составом. Это несоответствие находит объяснение в регуляторном действии углекислого газа на ростовую функцию растения. Длительное выдерживание растения при высокой концентрации СО 2 сопровождается увеличением площади листьев, стимуляцией роста побегов второго порядка, относительным возрастанием доли корней и запасающих органов в растении, усилением клубнеобразования. Ростовая функция усиливается за счет формирования нового фотосинтетического аппарата. Это свидетельствует о “двойной” роли СО 2 как субстрата в процессе фотосинтеза и как регулятора ростовых процессов. При повышении уровня углекислого газа в атмосфере устанавливается новое стационарное состояние системы, соответствующее новому уровню углекислоты, что и приводит к росту урожая преимущественно за счет увеличения объема всей фотосинтетической системы и в меньшей степени за счет интенсивности фотосинтеза на единицу площади листа.

Известным приемом повышения интенсивности и продуктивности фотосинтеза служит увеличение концентрации углекислоты в теплицах. Этот метод позволяет повысить прирост биомассы. Однако изменение концентрации СО 2 влияет на состав конечных продуктов фотосинтеза: было обнаружено, что при высоких концентрациях 14 СО 2 14 С включался преимущественно в сахара, а при низкой - в аминокислоты (серин, глицин и др.).

Поскольку атмосферный углекислый газ частично поглощают осадки и поверхностные пресные воды, в почвенном растворе повышается содержание СО 2 и как следствие этого происходит подкисление среды. В опытах, проведенных в нашей лаборатории, была предпринята попытка исследовать особенности воздействия растворенного в воде СО 2 на накопление биомассы растениями. Проростки пшеницы выращивались на стандартных водных питательных средах, в которых в качестве дополнительных источников углерода, помимо атмосферного, служили растворенный молекулярный СО 2 и бикарбонат-ион в различных концентрациях. Это достигалось варьированием времени насыщения водного раствора газообразным углекислым газом. Оказалось, что первоначальное повышение концентрации СО 2 в питательной среде приводит к стимулированию наземной и корневой массы растений пшеницы. Однако при 2-3-кратном превышении над нормальным содержания растворенного углекислого газа наблюдалось торможение роста корней растений с изменением их морфологии. Возможно, при значительном подкислении среды происходит уменьшение ассимиляции других питательных веществ (азота, фосфора, калия, магния, кальция). Таким образом, опосредованное воздействие повышенной концентрации СО 2 должно приниматься во внимание при оценке их влияния на рост растений.

Приведенные в приложении к петиции данные об интенсификации роста растений различных видов и возраста оставляют без ответа вопрос об условиях обеспеченности объектов изучения биогенными элементами. Следует подчеркнуть, что изменение концентрации СО 2 должно быть строго сбалансировано с потреблением азота, фосфора, других питательных веществ, света, воды в продукционном процессе без нарушения экологического равновесия. Так, усиленный рост растений при высоких концентрациях СО 2 наблюдался в среде, богатой питательными веществами. Например, на заболоченных землях в эстуарии Чесапикского залива (юго-запад США), где произрастают в основном С 3 -растения, увеличение СО 2 в воздухе до 700 ppm приводило к интенсификации роста растений и увеличению плотности их произрастания. Анализ более 700 агрономических работ показал, что при больших концентрациях СО 2 в среде, урожай зерновых в среднем был больше на 34% (там, где в почву вносилось достаточное количество удобрений и воды - ресурсов, имеющихся в изобилии только в развитых странах). Чтобы поднять продуктивность сельскохозяйственных культур в условиях роста углекислоты в воздухе, очевидно понадобится не только значительное количество удобрений, но и средств защиты растений (гербициды, инсектициды, фунгициды и т.д.), а также обширные ирригационные работы. Резонно опасаться, что стоимость этих мероприятий и последствия для окружающей среды окажутся слишком существенными и несоразмерными.

Исследования выявили также роль конкуренции в экосистемах, которая приводит к снижению стимулирующего эффекта высоких концентраций СО 2 . Действительно, саженцы деревьев одного вида в умеренном климате (Новая Англия, США) и тропиках росли лучше при высокой концентрации атмосферного СО 2 , однако при совместном выращивании саженцев разных видов продуктивность таких сообществ при тех же условиях не повышалась. Вероятно, конкуренция за питательные вещества сдерживает реакцию растений на повышение углекислого газа.

Высокое содержание СО 2 в воздухе может быть неблагоприятным для так называемых С 4 -растений, первые продукты фотосинтеза которых - соединения из четырех атомов углерода: яблочная и аспарагиновая кислоты, оксалоацетат. К этому классу относятся многие травы сухих, жарких тропических и субтропических областей, сельскохозяйственные культуры - кукуруза, сорго, сахарный тростник и др. У С 4 -растений имеется добавочный механизм карбоксилирования - своеобразный насос, концентрирующий СО 2 вблизи активного центра фермента, позволяющий этим растениям хорошо расти при обычных концентрациях диоксида углерода. У С 4 -растений в обычных условиях энергозатраты на фотореспирацию значительно ниже и эффективность фотосинтеза поэтому выше, чем у С 3 -растений. Примерно то же происходит и при фотосинтезе, характерном для типичных суккулентов. Его называют САМ-фотосинтезом (Crassulacean Acid Metabolism). САМ-растения подобно С 4 -растениям используют и С 3 , и С 4 -пути фотосинтеза, но отличаются от С 4 -растений тем, что для них характерно разделение этих путей только во времени, но не в пространстве, как у С 4 -растений.

Таким образом, с увеличением концентрации углекислоты С 3 -растения оказываются в более выгодном положении, чем С 4 - и САМ-растения, а это в свою очередь может иметь весьма серьезные последствия. Многие С 4 -растения станут редкими, или им грозит вымирание. В агроэкосистемах при выращивании С 4 -растений, например кукурузы или сахарного тростника, повышенная концентрация СО 2 может привести к падению их продуктивности, преимущество же получат сорняки, которые представлены в основном С 3 -растениями. В результате возможно значительное снижение урожая.

В случае потепления усиленный рост растений, при котором поглощается атмосферный диоксид углерода, не может компенсировать ускоренного разложения органических веществ. Это особенно важно, так как именно в высокоширотных местообитаниях, таких как тундра, ожидается наибольший рост температуры. В зоне вечной мерзлоты при таянии льда все больше торфа будет подвергаться воздействию микроорганизмов, разлагающих органическое вещество . Этот процесс в свою очередь приведет к большему выделению СО 2 и СН 4 в атмосферу. По оценкам, при росте летней температуры в тундре на 4°С в атмосферу дополнительно выделится до 50% углерода из торфа, несмотря на более интенсивный рост растений. В этом поясе сама притундровая растительность - важный климатообразующий фактор, поэтому при потеплении будет иметь серьезные последствия сдвиг границы леса на север. Изменится структура кормовой базы: на смену лишайникам и мхам, тяготеющим к низким температурам, придет кустарниковая растительность, непригодная для оленей. Кроме того, увеличение высоты снежного покрова неблагоприятным образом скажется на выживаемости появляющегося в это время молодняка.

Конкурентное взаимовлияние растений при ограниченных запасах питательных веществ будет сказываться не только на природных экосистемах, но и на экосистемах, создаваемых человеком. Поэтому сомнителен тезис, что будущее повышение уровня СО 2 в атмосфере приведет к более богатым урожаям и, как следствие этого, - к увеличению продуктивности животных.

Изучение адаптивной стратегии и реакции растений на колебания основных факторов, влияющих на изменение климата и характеристики окружающей среды, позволило уточнить некоторые прогнозы. Еще в 1987 г. был подготовлен сценарий агроклиматических последствий современных изменений климата и роста СО 2 в атмосфере Земли для Северной Америки . Согласно проведенным оценкам, при увеличении концентрации СО 2 до 400 ppm и росте средней глобальной температуры у земной поверхности на 0.5°С урожайность пшеницы в этих условиях увеличится на 7-10%. Но рост температур воздуха в северных широтах особенно проявится в зимнее время и вызовет чрезвычайно неблагоприятные частые зимние оттепели, которые могут привести к ослаблению морозостойкости озимых культур, вымерзанию посевов и повреждению их ледяной коркой. Прогнозируемое увеличение теплого периода вызовет необходимость селекции новых сортов с более продолжительным вегетационным периодом.

Что касается прогнозов урожайности основных сельскохозяйственных культур для России, то происходящий рост средних приземных температур воздуха и рост СО 2 в атмосфере, казалось бы, должны иметь положительный эффект. Воздействие только роста углекислого газа в атмосфере может обеспечить рост продуктивности ведущих сельскохозяйственных культур - С 3 -растений (хлебных злаков, картофеля, свеклы и др.) - в среднем на 20-30% , тогда как для С 4 -растений (кукурузы, проса, сорго, амаранта) этот рост незначителен . Однако потепление, очевидно, повлечет за собой снижение уровня атмосферного увлажнения примерно на 10%, что осложнит земледелие особенно в южной части Европейской территории, в Поволжье, в степных районах Западной и Восточной Сибири. Здесь можно ожидать не только снижения сбора продукции с единицы площади, но и развития эрозионных процессов (особенно ветровых), ухудшения качества почв, в том числе потери ими гумуса, засоления, опустынивания значительных территорий. Было установлено, что насыщение приземного слоя атмосферы толщиной до 1 м избытком СО 2 может откликнуться “эффектом пустыни”. Этот слой поглощает восходящие тепловые потоки, поэтому в результате его обогащения диоксидом углерода (в 1.5 раза в сравнении с нынешней нормой) локальная температура воздуха непосредственно у земной поверхности станет на несколько градусов выше средней температуры. Интенсивность испарения влаги из почвы увеличится, что приведет к ее иссушению . Из-за этого в целом по стране может снизиться производство зерна, кормов, сахарной свеклы, картофеля, семян подсолнечника, овощей и т.д. В результате изменятся пропорции между размещением населения и производством основных видов сельскохозяйственной продукции.

Наземные экосистемы, таким образом, весьма чувствительны к увеличению СО 2 в атмосфере, причем, поглощая избыточный углерод в процессе фотосинтеза, в свою очередь способствуют и росту атмосферного углекислого газа. Не менее важную роль в формировании уровня СО 2 в атмосфере играют процессы почвенного дыхания. Известно, что современное потепление климата вызывает усиленное выделение неорганического углерода из почв (особенно в северных широтах). Модельные расчеты , проведенные с целью оценки отклика наземных экосистем на глобальные изменения климата и уровня СО 2 в атмосфере, показали, что в случае только роста СО 2 (без климатических изменений) стимуляция фотосинтеза уменьшается при высоких значениях СО 2 , но выделение углерода из почв растет по мере его аккумуляции в растительности и почвах. Если содержание СО 2 в атмосфере стабилизируется, чистая продукция экосистем (результирующий поток углерода между биотой и атмосферой) быстро падает до нуля, так как фотосинтез компенсируется дыханием растений и почв. Ответом наземных экосистем на климатические изменения без воздействия роста СО 2 , согласно этим расчетам, может стать уменьшение глобального потока углерода из атмосферы в биоту из-за усиления дыхания почв в северных экосистемах и уменьшения чистой первичной продукции в тропиках в результате падения влагосодержания почв. Этот результат подтверждается оценками, согласно которым воздействие потепления на дыхание почв превалирует над воздействием его на рост растений и уменьшает почвенный запас углерода. Совместное воздействие глобального потепления и роста СО 2 в атмосфере может увеличить глобальную чистую продукцию экосистем и сток углерода в биоту, однако значительное возрастание почвенного дыхания может компенсировать этот сток в зимний и весенний периоды. Немаловажно, что эти прогнозы реакции наземных экосистем существенно зависят от видового состава растительных сообществ, обеспеченности питательными веществами, возраста древесных пород и значительно варьируют в пределах климатических зон.

* * * Данные, представленные в приложении к петиции, имели целью, как указывалось, предотвратить принятие документа, выработанного на международной встрече в Киото 1997 г. и открытого для подписания с марта 1998 г. по март 1999 г. Как показали итоги встречи в Буэнос-Айресе (ноябрь 1998г.), вероятность подписания этого документа рядом индустриально развитых государств, и в первую очередь США, практически отсутствует. В связи с этим возникает необходимость усовершенствования стратегии в решении проблемы глобальных изменений климата.

Вице-директор Института наблюдений за миром (The World Watch Institute) К.Флавин считает необходимым элементом дальнейшего движения - создание инициативной группы. В нее войдут страны (в частности, Европы и Латинской Америки), подписавшие протокол в Киото, крупнейшие города, “конструктивно мыслящие корпорации и фирмы” (“Бритиш Петролиум”, “Энрон Корпорейшен”, “Роял Дойч Шелл” и др.), активно поддерживающие ограничение эмиссии парниковых газов и включившиеся в процесс ограничения их выбросов на основе торговли эмиссиями.

По нашему мнению, важным вкладом в решение этой проблемы могло бы стать внедрение энергосберегающих технологий и использование возобновляемых источников энергии.

Литература

1 Robinson A.B., Baliunas S.L., Soon W., Robinson Z.W. Enviromental Effects of Increased Atmospheric Carbon Dioxide. Петиция вместе с обзором рассылалась в научно-исследовательские институты и отдельным ученым с просьбой подписать ее и в дальнейшем распространять среди коллег. Экземпляр петиции и обзора на русском и английском языке имеется в редакции “Природы”.

2 Подробнее см.: Сидоренков Н.С. Межгодовые колебания в системе атмосфера-океан-Земля //Природа. 1998. №7. С.26-34.

3 Клименко В.В., Клименко А.В., Снытин С.Ю., Федоров М.В. // Теплоэнергетика. 1994. №1. С.5-11.

4 Corti S., Molteni F., Palmer T.N. // Nature. 1999. V.398. №6730. P.799-802.

5 Tett S.F.B., Stott P.S., Allen M.R., Ingram W.J., Mitchell J.F.B. // Nature. 1999. V.399. №6736. P.569-572.

16 Мокроносов А.Т. Фотосинтез и изменение содержания СО 2 в атмосфере // Природа. 1994. №7. С.25-27.

17 Скурлатов Ю.И. и др. Введение в экологическую химию. М., 1994. С.38.

18 Романенко Г.А., Комов Н.В., Тютюнников А.И. Изменение климата и возможные последствия этого процесса в сельском хозяйстве // Земельные ресурсы России, эффективность их использования. М., 1995. С.87-94.

19 Mingkui C., Woodward F. I. // Nature. 1998. V.393. №6682. P.249-252.

Рассмотрим классификацию качества воздуха в помещениях по показателю концентрации углекислого газа СО2. В качестве определяющей величины принята концентрация СО2, которая добавляется к уже имеющейся концентрации в поступающем в помещение наружном воздухе. При этом концентрация СО2 наружного воздуха значительно различается в зависимости от места расположения здания. В качестве примера приводятся следующие величины:

• сельская местность- 350 ppm;
• небольшой город- 375 ppm;
• центр большого города- 400 ppm.

Увеличение количества углекислого газа в помещении происходит в результате жизнедеятельности человека. В первую очередь он образуется в организме и выводится в процессе дыхания, так же образуется при использовании открытого пламени. Классификация по добавленной концентрации определена нормативом ГОСТ Р ЕН 13779, см. табл. 1. Так для обеспечения среднего качества воздуха в помещении в небольшом городе добавленная концентрация должна быть в пределах 400-600 ppm. Учитывая, что в наружном городском воздухе уже содержится порядка 375 ppm, результирующая концентрация СО2 в помещении будет находится в пределах 775- 975 ppm.

Таблица 1-Качество воздуха в помещениях по добавленной концентрации СО 2

Сегодня, особенно в России, люди недооценивают важность контроля и поддержания нормального уровня углекислого газа (CO2) в квартире (офисе, школе, в любом помещении, где мы проводим хотя бы пол часа). В этой статье, я бы хотел подробнее рассказать про качество воздуха в доме:

• о важности поддержания правильного уровня СО2 в помещениях;
• о методах измерения уровня СО2;
• вкратце об организации правильной системы вентиляции воздуха.

Почему важно контролировать уровень углекислого газа в помещениях?

Про важность соблюдения уровня CO2 сказано уже много (советую почитать: , , ветка на форуме iXBT , ). Но вкратце: углекислый газ выделяется при дыхании человека (основной источник, а при плохой вентиляции скапливается в больших концентрациях в помещении. Незначительное повышение концентрации СО2 вызывает у людей ощущение «спертости» воздуха, духоты. При более значительном повышении концентрации симптомы становятся хуже: «тяжелая» голова, головокружение, головные боли и вплоть до необратимых изменений в организме человека. Концентрацию углекислого газа принято измерять в ppm (parts per million - частей на миллион).

Реакция организма взрослого человека в зависимости от уровня CO2

Опасные концентрации СО2

Почему в квартире высокий уровень CO2?

Основных причин — три:

• Пластиковые окна
• Не работающая вытяжка и отсутствие приточной вентиляции
• Несоблюдение санитарных нормативов — большое количество людей в комнате.

Пластиковые окна без клапанов — источник повышенного уровня СО2 в квартире

Сегодня мы любим устанавливать пластиковые окна и гордиться тем, что они полностью герметизируют квартиру (ведь дома станет тепло!), но не задумываемся о будущих последствиях (особенно если дома есть дети!). Причина в том, что современные окна полностью перекрывают приток воздуха с улицы и тем самым блокируют работу естественной системы вентиляции квартиры, а как следствие — воздух в квартире не обновляется и повышается уровень СО2. Некоторые устанавливают специальные оконные клапаны, через которые проходит воздух с улицы — это хоть какое-то, но решение.

К стати, старые советские окна с немаленькими щелями так проектировались специально, чтобы обеспечить хоть какой-то приток свежего воздуха!

Неработающая вытяжка

Часто люди не обращают внимание на вытяжные вентиляционные отверстия в кухне и сан.узле. Некоторые даже «закладывают» их при ремонте. Иногда сетка на вентиляционных отверстий настолько засорена, что практически останавливает работу вентиляции. Эти факторы способствуют ухудшению качества воздуха в квартире. Представьте, что вы и еще несколько человек находятся в одном небольшом замкнутом пространстве, активно двигаются, готовят кушать и т.д. Через какое-то время, если воздух не обновляется, в этом пространстве становится очень тяжело находиться, в воздухе сконцентрировано много загрязняющих веществ, в том числе углекислого газа. А теперь представьте, что многие из нас так живут годами после установки пластиковых окон! А потом удивляемся откуда у нас/наших детей появляются хронические болезни?

Чтобы проверить качество работы вытяжной вентиляции в вашей квартире лучше обратиться к профессионалам. Как правило достаточно звонка в управляющую компанию с жалобой на плохо работающую вентиляцию. Но, чтобы понять действительно ли вентиляция плохо работает лучше предварительно проверить менее точными, но «подручными» способами. Сделать это можно, поднеся к вентиляционным отверстиям тонкую полоску бумаги, свечу или горящую спичку, а можно попробовать тлеющими ароматическими палочками — от них достаточно умеренный и безопасный дым (Соблюдайте правила пожарной безопасности! ). Бумажка или дым должны «всасываться» потоком воздуха внутрь вентиляционного отверстия. Если этого не происходит или поток воздуха очень слаб, попробуйте открыть окно, чтобы «разгерметизировать» квартиру. Даже если это не помогло — то с вентиляцией проблемы и их нужно обязательно исправлять! В многоквартирных домах ответственность за работу вентиляции несет управляющая компания и в большинстве случаев они должны заниматься восстановлением работы вентиляции, не требуя с вас дополнительной оплаты. Возможно, вас будут убеждать, что сделать ничего уже нельзя (или вымогать оплату), что в вашем доме старая и засоренная система вентиляции — рекомендую быть более настойчивым и в случае отказа УК исправлять работу вентиляции обратиться с заявлением в вышестоящие инстанции.

В Интернете существует несколько отличных форумов, посвященных теме вентиляции в доме, там вы можете найти много полезной информации и задать интересующие вас вопросы профессионалам:

• ветка на форуме «Город мастеров» http://www.mastercity.ru/forumdisplay.php?f=22

Приточная вентиляция

Если в вашем доме/квартире исправна система вытяжной вентиляции и у вас хорошо утепленные или пластиковые окна, то для создания условий для естественной очистки воздуха в квартире я бы очень рекомендовал устанавливать приточную вентиляцию. Сегодня это не очень дорого и установка не портит ремонт в вашей квартире.

У меня установлены пассивные клапаны Домвент, в ближайшее время напишу про них отдельную статью. Очень много информации по поводу приточной вентиляции можно найти на форуме iXBT в этой ветке .

Несоблюдение санитарных нормативов

Соблюдайте санитарные нормы. Даже самая хорошо работающая вентиляция может не справиться с большим количеством людей в комнате. Существуют некоторые способы расчета необходимого притока свежего воздуха в зависимости от количества людей в помещении (конечно же, они очень условные, но для грубой оценки вполне полходят):

• поступление свежего воздуха 15 cfm = 25,5 м3/час на одного человека, находящегося в помещении, соответствует уровню концентрации CO2 в 1000 ppm
• поступление свежего воздуха 20 cfm = 34 м3/час на одного человека, находящегося в помещении, соответствует уровню концентрации CO2 в 800 ppm

Что делать?

• Контролировать уровень СО2
• Проверить хорошо ли работает у вас дома вытяжка (и работает ли вообще)
• Установить приточную вентиляцию (пассивную — клапаны; или активную — бризеры с электромоторами и подогревом воздуха)
• Если приточной вентиляции нет, то рекомендуется проветривать помещение (малоэффективный способ, т.к. вставать ночью, особенно зимой, чтобы открыть окно на несколько минут — вряд ли получится)

Как измерить уровень углекислого газа?

Сегодня существует огромное количество разных приборов для измерения CO2. Приведу пример нескольких из них, самых надежных и распространенных.

Sensair K-30

Нужны навыки программирования, пайки и работы с микроэлектроникой, но самый универсальный по соотношению цена/качество. Я использую именно его. Где купить в России, к сожалению, я не нашел и заказал на сайте co2meter.com

Подключение к сенсора K-30 к Raspberry Pi или Arduino расскажу в следующих статьях.

TIM (ссылка)

Симпатичный, кроме измерения CO2 умеет измерять влажность и температуру, существуют версии со встроенной памятью, для хранения замеров. Купить можно там же — co2meter.com .

Netatmo

Симпатичный, дорогой, удобный, мега-многофункциональный. Можно купить в России.

Заключение

Надеюсь в данной статье я смог донести о важности контроля уровня СО2 и обеспечении свежего воздуха в помещениях, где мы проводим много времени. Это ваше здоровье и здоровье ваших близких! В следующей серии статей я расскажу о том, как подключать датчики СО2 в единую систему Умного дома и как правильно организовывать вентиляцию (с автоматизацией или без).