6.2. Кругообіг вуглецю в природі

Основна маса вуглецю (порядку 20·1015 т) зосереджена у верхньому (осадовому) шарі земної кори, у його неорганічних відкладеннях (в основному у карбонатах і органічних горючих копалинах, найважливіші з яких – нафтоносні сланці, вугілля і нафта), що нагромадилися за сотні мільйонів років.

За порівняно короткі в геологічному розумінні проміжки часу – сотні і тисячі років – винос цих порід на поверхню такий невеликий, що ними можна знехтувати. До життєвих процесів у біосфері – на суші й в океані – залучено всього декілька десятих відсотка загального величезного запасу вуглецю. Кругообіг вуглецю в біосфері складається з двох різних циклів, наземного і морського, пов'язаних через кордон між океаном і атмосферою. «Шестірні» круговороту вуглецю в трьох стихіях – на суші, в атмосфері й океані, які швидко обертаються, з'єднані з повільними за геологічними мірками часу, великомасштабними процесами загальної циркуляції вуглецю немов через редуктор з великим передаточним числом.

Біосфера являє собою складну суміш сполук вуглецю, котрі безупинно виникають, змінюються і розкладаються. Існування цієї динамічної системи підтримується завдяки здатності океанського фітопланктону і наземних рослин уловлювати енергію сонячного світла і використовувати її для перетворення діоксиду вуглецю і води в найрізноманітніші органічні молекули. Незалежно від того, відбувається це на суші чи в морі, сутність даного процесу може бути виражена рівнянням СО2 + Н2О + Світло > СН2О + О2 + Енергія.

Формальдегід СН2О тут є прикладом найпростішої органічної сполуки. У дійсності в результаті фотосинтезу можуть утворюватися і більш складні молекули.

Біосфера розвивалася не в статичному неорганічному світі. Живий світ радикально перетворив первинну безживну Землю, поступово змінюючи склад атмосфери, моря і верхніх шарів земної кори на суші та під океаном. Кругообіг вуглецю в біосфері (мал. 6.3) відбиває загальну глобальну взаємодію живих організмів у їх фізичному і хімічному середовищі.

Кругообіг починається з фіксації атмосферного діоксиду вуглецю в процесі фотосинтезу (у рослинах і деяких мікроорганізмах). Частина вуглеводів, що утворилися, використовується самою рослиною для одержання енергії. При цьому діоксид вуглецю (продукт реакції) іде через листя або корені рослини. Частина фіксованого рослинами вуглецю споживається тваринами, які одержують його з їжею і теж виділяють його при диханні у вигляді вуглекислого газу. Мертві рослини і тварини розкладаються мікроорганізмами ґрунту, вуглець їх тканин окислюється до двооксиду і повертається в атмосферу. Подібний же кругообіг вуглецю існує і в океані. Ще не встановлено, який із кругообігів – океанічний або наземний – охоплює більш значні кількості вуглецю.

Сумарна маса живої органічної речовини, що підтримується в результаті фотосинтезу в зелених рослинах, відома тільки приблизно. Не викликає сумнівів, що основна частина цієї маси складається саме з рослин (маса тварин складає малу частку загальної кількості речовини живих організмів) і що в загальній масі рослин переважають дерева. У зв'язку з цим планетарна величина біомаси значною мірою визначається поширенням лісів на континентах.Мал. 6.3. Кругообіг вуглецю в біосфері. Ширина зображених шляхів кругообігу пропорційна масі вуглецю, що йде даним шляхом

Ліси не тільки основні споживачі діоксиду вуглецю на суші, але і головний резервуар біологічно зв'язаного вуглецю (400–500 млрд.т, не враховуючи горючих копалин, що випали з кругообігу, хоча частина накопиченого в них вуглецю людина повертає в повітря, спалюючи їх).

Можна вважати, що середній час кругообігу вуглецю в земних організмах дорівнює 10–17 рокам і близький до аналогічного показника для атмосфери.

Загальна кількість біомаси для континентів приблизно дорівнює 3·1018 г. Кількість вуглецю в наземних рослинах складає 0,83·1018 г, що відповідає масі сухої органічної речовини близько 2·1018 г.

Значна кількість вуглецю міститься в продуктах розпаду живих організмів на континентах – 1,1·1018 г. Маса вуглецю в атмосфері порівнянна з масою вуглецю в живих організмах і продуктах їх розпаду на континентах.

Але рослини не тільки поглинають діоксид вуглецю. Їх ріст – це ланцюг хімічних процесів і перетворень, для яких потрібна енергія. Рослини одержують її в результаті реакцій, в яких для вивільнення енергії, накопиченої за рахунок фотосинтезу, використовується атмосферний кисень (з повітря або розчинений у воді). Цей процес, при якому вивільняється діоксид вуглецю, називається диханням. Дихання відбувається безупинно, але особливо воно помітне вночі, коли фотосинтез припиняється. Виділення діоксиду вуглецю при диханні відбувається не тільки у рослин, але й у будь-яких живих істот, включаючи більшість бактерій.

На фотосинтез йде діоксиду вуглецю більше, ніж його виділяється при диханні, тобто частина СО2 фіксується в рослинах. За рік на поверхні суші це складає 20–30, а в океанах – 40 млрд. тонн вуглецю.

Вуглець, який фіксується в процесі фотосинтезу на суші, рано чи пізно повертається в атмосферу при розкладанні мертвої органічної речовини, що окислюється в ґрунті в ході численних складних процесів.

У вологих тропічних лісах, які швидко ростуть, за рік на 1 м2 землі фіксується від 1 до 2 кг вуглецю (у формі діоксиду. Це приблизно дорівнює кількості діоксиду вуглецю в стовпі повітря площиною 1 м2, що доходить до границь атмосфери. А в арктичній тундрі й у майже безплідних пустелях фіксується близько 1% цієї кількості СО2.

Шляхи кругообігу вуглецю в морі суттєво відрізняються від його шляхів на суші. У воді мертві організми, опускаючись вглиб, швидко розкладаються. Незабаром те, що було живим, перетворюється в розчинену органічну речовину і залишається в глибинах сторіччями.

Кругообіг, який відбувається в океані, в основному автономний. Діоксид вуглецю, розчинений у морській воді, засвоюється фітопланктоном, а кисень іде в розчин. Зоопланктон і риби споживають вуглець, зафіксований фітопланктоном, а кисень використовують при диханні. У результаті розкладання органічних речовин у воду повертається діоксид вуглецю, засвоєний фітопланктоном.

На створення органічної речовини щорічно витрачається близько 300·1015 г вуглекислого газу, тобто більше 10% кількості СО2, що утримується в атмосфері. Майже вся ця маса повертається в атмосферу і гідросферу в результаті окислювання організмів і продуктів їх життєдіяльності.

Важливо підкреслити, що цикл кругообігу вуглецю в результаті створення органічної речовини цілком замкнутий. Із загальної маси органічного вуглецю, який поглинають щорічно рослини, тільки дуже невелика частина переходить у літосферу і виходить з цього круговороту.

Дві гігантські системи – атмосфера й океан – тісно пов'язані між собою обміном діоксиду вуглецю, здійснюваним через поверхню океану. Швидкість цього обміну нещодавно обчислили за швидкістю, з якою радіоактивний ізотоп вуглець-14, що утворився в атмосфері при випробуваннях ядерної зброї, зник з повітря. Нейтрони, що випромінюються під час вибуху, взаємодіючи з азотом-14 атмосфери, дають вуглець-14. У цій реакції атом азоту 14N захоплює нейтрон і звільняє протон, перетворюючись в 14C (цифра унизу вказує число протонів у ядрі, цифра вгорі – загальне число протонів і нейтронів).

Останні великі випробування ядерної зброї відбулися в атмосфері в 1963 році. Із проб повітря, взятих на різних висотах і в різних місцях, видно, що за декілька років атмосфера добре перемішалася. За цей час кількість вуглецю-14 сильно зменшилась, що можна пояснити лише обміном між атмосферним діоксидом вуглецю, збагаченим вуглецем-14, і океанським діоксидом вуглецю, набагато менш радіоактивним. Виміри показують, що весь атмосферний діоксид вуглецю розчинився б у морі років за 5–10. Інакше кажучи, за рік близько 100 млрд. т атмосферного діоксиду вуглецю розчиняється в морі й заміщується приблизно рівною кількістю діоксиду вуглецю з океану.

Деяка частина органічного вуглецю повертається в атмосферу при окислюванні організмів і продуктів їх життєдіяльності у вигляді метану СН4 і чадного газу СО. Метан утворюється в основному в болотних районах, на затоплених рисових полях і, може бути, в океанах. Метан, що надійшов в атмосферу, досить швидко окислюється і перетворюється в оксид вуглецю. До цього джерела окису вуглецю додається відносно невелика кількість СО, що безпосередньо утворюється при розкладанні організмів і спалюванні палива. Оксид вуглецю у свою чергу окислюється і перетворюється у СО2 в кількості близько 2·1015 г/рік.

Щорічне спалювання приблизно 5 млрд. т горючих копалин повинне збільшувати атмосферний запас діоксиду вуглецю на 0,7%, тобто до 320 млн–1 (сучасний вміст СО2) щорічно має додаватися майже 2 млн–1. Насправді ж за рік концентрація СО2 у повітрі зростає лише на 0,7 млн–1; таким чином, дві третини виділеного при згорянні діоксиду вуглецю швидко йдуть з атмосфери або в океан, або в наземну флору.

СО2 є одним з найбільш стабільних метеорологічних елементів. Його величина мало змінюється на різних висотах у тропосфері, на різних широтах і на протязі року. Проте зростання потужності джерел і стоків вуглекислого газу в просторі і часі призводить до деяких змін його концентрації. Через більш високу розчинність вуглекислого газу в холодних водах високих широт у порівнянні з теплими водами тропіків у високих широтах концентрація вуглекислого газу в атмосфері зменшується на величину близько 0,005%, причому розчинений у водах океанів надлишок вуглекислоти переноситься глибинними течіями в низькі широти, після чого він повертається в атмосферу. У результаті цього між полюсами й екватором виникають два потоки вуглекислого газу – в атмосфері, спрямований від екватора до полюсу, і в океані, спрямований від полюса до екватору. Величина цих потоків для північної півкулі складає 2·1016 г/рік.

Приблизно в середині минулого століття людина, сама того не усвідомлюючи, почала глобальний геохімічний експеримент. Почалося спалювання великих кількостей горючих копалин, при якому в атмосферу повертається вуглець, зафіксований рослинами мільйони років назад.

Мал. 6.4. Масові потоки вуглецю в наземному і морському кругообігу.
Всі величини зазначені в млрд. т

У наш час щорічно 5–6 млрд.т викопного вуглецю йде в атмосферу. Якби вуглекислий газ, що утворюється при спалюванні, рівномірно розподілявся в атмосфері й нікуди з неї не виходив, то це дало б щорічний приріст кількості діоксиду вуглецю в повітрі на 2,3 млн–1. За останні сто років вміст діоксиду вуглецю в атмосфері зріс з 290 до 320 млн–1, причому більше 20% цього приросту припадає на останнє десятиліття.

Загальний приріст вмісту вуглекислого газу в атмосфері складає лише не набагато більше однієї третини діоксиду вуглецю, звільненого при згорянні (сумарна вага близько 200 млрд.т). Решта, мабуть, пішла в океан., але чимала частка пішла і на збільшення маси наземної флори. Лабораторні досліди показали, що рослини ростуть набагато швидше, якщо навколишнє повітря збагачене діоксидом вуглецю. Отже, спалюючи вугілля, нафту і природний газ, людина удобрює поля і ліси. Вважається, що біомаса суші за останні сто років могла зрости на цілих 15 млрд.т. Однак конкретних доказів того, що такий приріст дійсно відбувся, дуже мало.

Людина змінювала умови на Землі не тільки тим, що спалювала горючі копалини. За останні сторіччя були розчищені та відведені під сільськогосподарські культури великі площі, раніше зайняті лісом. У таких районах, звичайно, змінився характер ґрунтового дихання, і це відбилося б на вмісті СО2 в атмосфері, якби одночасно не посилилося спалювання горючих копалин. У всякому разі динамічна рівновага між головними резервуарами діоксиду вуглецю – біосферою, атмосферою, гідросферою і ґрунтом – порушена, і, можна сказати, система зараз знаходиться в перехідному періоді. Оскільки навіть найшвидші процеси обміну СО2 між резервуарами і вирівнювання його концентрації займають десятки років, нова рівновага встановиться ще нескоро. Поступово в процес втягуються і глибини океанів; остаточний розподіл вуглецю залежить від швидкості зміни води в них (порядку 1000 років) і швидкості взаємодії з донними осадами.

Таким чином, головним регулятором кругообігу вуглецю є, поза сумнівом, океани, і кількість діоксиду вуглецю в атмосфері значною мірою визначається парціальним тиском СО2, розчиненого в морі, який утворився в доісторичний період.

На мал. 6.4 зроблено спробу зобразити всі шляхи кругообігу вуглецю в природі, особливо в біосфері.

Ця схема кругообігу дозволяє також міркувати про те, як глобальна вуглецева система реагує на внесені зміни. Найбільш небезпечні порушення в налагодженому природою вуглецевому циклі – це порушення, що робляться людиною. Невпинно зростаючий викид діоксиду вуглецю від світового спалювання палива вже позначається на кліматі. Це означає, що ми поки не вміємо керувати глобальною рівновагою в природі. Використання палива має бути не стихійним, а контрольованим, з мінімумом глобальних негативних наслідків.