6.2. Круговорот углерода в природе

Основная масса углерода (порядка 20·10 15 т) сосредоточена в верхнем (осадочном) слое земной коры, в его неорганических отложениях (главным образом в карбонатах и органических горючих ископаемых, важнейшие из которых нефтеносные сланцы, уголь и нефть), накопившихся за сотни миллионов лет.

За сравнительно короткие в геологическом понимании промежутки времени – сотни и тысячи лет – вынос этих пород на поверхность так невелик, что им можно пренебречь. В жизненные процессы в биосфере – на суше и в океане – вовлечено всего несколько десятых процента общего огромного запаса углерода. Круговорот углерода в биосфере состоит из двух разных циклов, наземного и морского, связанных через границу между океаном и атмосферой. Быстро вращающиеся «шестеренки» круговорота углерода в трех стихиях – на суше, в атмосфере и океане – соединены с медленными по геологическим меркам времени, крупномасштабными процессами общей циркуляции углерода как бы через редуктор с большим передаточным числом.

Биосфера представляет собой сложную смесь соединений углерода, которые непрерывно возникают, изменяются и разлагаются. Существование этой динамичной системы поддерживается благодаря способности океанского фитопланктона и наземных растений улавливать энергию солнечного света и использовать ее для превращения двуокиси углерода и воды в самые разнообразные органические молекулы. Независимо от того, происходит это на суше или в море, сущность данного процесса может быть выражена уравнением СО 2 + Н 2 О + Свет → СН 2 О + О 2 + Энергия. Формальдегид СН 2 О здесь является примером простейшего органического соединения.

В действительности в результате фотосинтеза могут образовываться и более сложные молекулы.

Биосфера развивалась не в статичном неорганическом мире. Живой мир радикально изменил первичную безжизненную Землю, постепенно меняя состав атмосферы, моря и верхних слоев земной коры на суше и под океаном. Круговорот углерода в биосфере (рис. 6.3) отражает общее глобальное взаимодействие живых организмов в их физической и химической среде.

Круговорот начинается с фиксации атмосферной двуокиси углерода в процессе фотосинтеза (в растениях и некоторых микроорганизмах). Часть образовавшихся углеводов используется самим растением для получения энергии. При этом двуокись углерода (продукт реакции) уходит через листья или корни растения. Часть фиксированного растениями углерода потребляется животными, которые получают его с пищей и выделяют его при дыхании в виде углекислого газа. Мертвые растения и животные разлагаются микроорганизмами почвы, углерод их тканей окисляется до двуокиси и возвращается в атмосферу. Подобный же круговорот углерода существует и в океане. Еще не установлено, какой из круговоротов – океанический или наземный – охватывает более значительные количества углерода.

Суммарная масса живого органического вещества, поддерживаемая в результате фотосинтеза зеленых растений, известна только приблизительно. Не вызывает сомнений, что ее основная часть состоит из растений (масса животных составляет малую долю общего количества вещества живых организмов) и что в общей массе растений преобладают деревья. В связи с этим планетарная величина биомассы в значительной мере определяется распространением лесов на континентах.

Рис. 6.3. Круговорот углерода в биосфере. Ширина изображенных путей круговорота пропорциональна массе углерода, идущего по данному пути

Леса не только основные потребители двуокиси углерода на суше, но и главный резервуар биологически связанного углерода (400–500 млрд.т, не считая горючих ископаемых, которые выпали из круговорота, хотя часть накопленного в них углерода человек возвращает в воздух, сжигая их).

Можно полагать, что среднее время круговорота углерода в земных организмах равно 10–17 годам и близко к аналогичному показателю для атмосферы.

Общая величина биомассы для континентов приблизительно равна 3·10 1 8 г. Количество углерода в наземных растениях составляет 0,83·10 1 8 г, что соответствует массе сухого органического вещества около 2·10 1 8 г.

Значительное количество углерода содержится в продуктах разложения живых организмов на континентах – 1,1·10 1 8 г. Масса углерода в атмосфере сравнима с массой углерода в живых организмах и продуктах их разложения на континентах.

Но растения не только поглощают диоксид углерода. Их рост – это цепь химических процессов и превращений, требующих энергии. Растения получают ее в результате реакций, в которых атмосферный кислород (из воздуха или растворенный в воде) используется для высвобождения энергии, накопленной за счет фотосинтеза. Этот процесс, при котором высвобождается двуокись углерода, называется дыханием. Дыхание происходит непрерывно, но особенно оно заметно ночью, когда фотосинтез прекращается. Выделение диоксида углерода при дыхании происходит не только у растений, но и у любых живых существ, включая большинство бактерий.

На фотосинтез уходит диоксида углерода больше, чем его выделяется при дыхании, т.е. часть СО 2 фиксируется в растениях. За год на поверхности суши это составляет 20–30, а в океанах – 40 млрд. тонн углерода.

В быстро растущих влажных тропических лесах за год на 1 м 2 земли фиксируется от 1 до 2 кг углерода (в форме двуокиси), что приблизительно равно количеству двуокиси углерода в столбе воздуха с основанием 1 м 2, доходящем до границ атмосферы. А в арктической тундре и в почти бесплодных пустынях фиксируется около 1% этого количества СО 2.

Углерод, фиксирующийся в процессе фотосинтеза на суше, рано или поздно возвращается в атмосферу при разложении мертвого органического вещества, которое окисляется в почве в ходе многочисленных сложных процессов.

Пути круговорота углерода в море сильно отличаются от его путей на суше. В воде мертвые организмы, опускаясь вглубь, быстро разлагаются. Очень скоро то, что было живым, превращается в растворенное органическое вещество и остается в глубинах столетиями.

Круговорот, идущий в океане, в основном автономен. Двуокись углерода, растворенная в морской воде, усваивается фитопланктоном, а кислород уходит в раствор. Зоопланктон и рыбы потребляют углерод, фиксированный фитопланктоном, а кислород используют при дыхании. В результате разложения органических веществ в воду возвращается двуокись углерода, усвоенная фитопланктоном.

На создание органического вещества ежегодно расходуется около 300·10 1 5 г углекислого газа, т.е. более 10% количества СО 2, содержащегося в атмосфере. Почти вся эта масса возвращается в атмосферу и гидросферу в результате окисления организмов и продуктов их жизнедеятельности.

Важно подчеркнуть, что цикл круговорота углерода в результате создания органического вещества полностью замкнут. Из общей массы органического углерода, ежегодно поглощаемого растениями, только очень небольшая часть переходит в литосферу и выходит из этого круговорота.

Две гигантские системы – атмосфера и океан – тесно связаны между собой обменом двуокиси углерода, осуществляемым через поверхность океана. Скорость этого обмена недавно вычислили по скорости, с которой радиоактивный изотоп углерод-14, образовавшийся в атмосфере при испытаниях ядерного оружия, исчез из воздуха. Нейтроны, испускаемые при взрыве, взаимодействуя с азотом-14 атмосферы, дают углерод-14. В этой реакции атом азота 1 4 N захватывает нейтрон и высвобождает протон, превращаясь в 1 4 C (цифра внизу указывает число протонов в ядре, цифра вверху – общее число протонов и нейтронов).

Последние крупные испытания ядерного оружия проводились в атмосфере в 1963 году. Из проб воздуха, взятых на разных высотах и в разных местах, видно, что за несколько лет атмосфера хорошо перемешалась. За это время количество углерода-14 сильно уменьшилось, что можно объяснить лишь обменом между атмосферной двуокисью углерода, обогащенной углеродом-14, и океанской двуокисью углерода, гораздо менее радиоактивной. Измерения показывают, что вся атмосферная двуокись углерода растворилась бы в море за 5–10 лет. Иначе говоря, за год около 100 млрд. т атмосферной двуокиси углерода растворяется в море и замещается примерно равным количеством двуокиси углерода из океана.

Некоторая часть органического углерода возвращается в атмосферу при окислении организмов и продуктов их жизнедеятельности в виде метана СН 4 и угарного газа СО. Метан образуется в основном в болотных районах, на затопленных рисовых полях и, может быть, в океанах. Поступивший в атмосферу метан довольно быстро окисляется и превращается в оксид углерода. К этому источнику окиси углерода добавляется относительно небольшое количество СО, непосредственно образующееся при разложении организмов и сжигании топлива. Оксид углерода в свою очередь окисляется и превращается в СО 2 в количестве около 2·10 1 5 г/год.

Ежегодное сжигание примерно 5 млрд. т горючих ископаемых должно увеличивать атмосферный запас двуокиси углерода на 0,7%, т. е. к 320 млн - 1 (современное содержание СО 2) ежегодно должно прибавляться почти 2 млн - 1. На деле же за год концентрация СО 2 в воздухе возрастает всего на 0,7 млн - 1 ; значит, две трети выделенной при сгорании двуокиси углерода быстро уходят из атмосферы или в океан, или в наземную флору.

СО 2 является одним из наиболее стабильных метеорологических элементов. Ее величина мало изменяется на различных высотах в тропосфере, на разных широтах и в годовом ходе. Тем не менее рост мощности источников и стоков углекислого газа в пространстве и времени приводит к некоторым изменениям его концентрации. Из-за более высокой растворимости углекислого газа в холодных водах высоких широт по сравнению с теплыми водами тропиков в высоких широтах его концентрация в атмосфере уменьшается на величину около 0,005%, причем растворенный в водах океанов избыток углекислоты пе

реносится глубинными течениями в низкие широты, после чего он возвращается в атмосферу. В результате этого между полюсами и экватором возникают два потока углекислого газа: в атмосфере – направленный от экватора к полюсу, в океане – направленный от полюса к экватору. Величина этих потоков для северного полушария составляет 2·10 1 6 г/год.

Примерно в середине прошлого века человек, сам того не сознавая, начал глобальный геохимический эксперимент. Началось сжигание больших количеств горючих ископаемых, при котором в атмосферу возвращается углерод, фиксированный растениями миллионы лет назад. В наше время ежегодно 5–6 млрд.т ископаемого углерода уходит в атмосферу. Если бы образующийся при сжигании углекислый газ равномерно распределялся в атмосфере и никуда из нее не уходил, это дало бы ежегодный прирост количества двуокиси углерода в воздухе на 2,3 млн - 1. За последние сто лет содержание двуокиси углерода в атмосфере возросло с 290 до 320 млн - 1, причем более 20% этого прироста приходится на последнее десятилетие.

Рис. 6.4. Массовые потоки углерода в наземном и морском круговороте. Все величины указаны в млрд. т

Общий прирост содержания углекислого газа в атмосфере составляет лишь немногим более одной трети двуокиси углерода, освобожденной при сгорании (суммарный вес около 200 млрд.т). Остальное, по-видимому, ушло в океан, но немалая доля пошла и на увеличение массы наземной флоры. Лабораторные опыты показали, что растения растут гораздо быстрее, если окружающий воздух обогащен двуокисью углерода. Значит, сжигая уголь, нефть и природный газ, человек удобряет поля и леса. Считается, что биомасса суши за последние сто лет могла вырасти на целых 15 млрд.т. Однако конкретных доказательств того, что такой прирост действительно произошел, очень мало.

Человек изменял условия на Земле не только тем, что сжигал горючие ископаемые. За последние столетия были расчищены и отведены под сельскохозяйственные культуры большие площади, ранее занятые лесом. В таких районах, конечно, изменился характер почвенного дыхания, и это отразилось бы на содержании СО 2 в атмосфере, если бы одновременно не усилилось сжигание горючих ископаемых. Во всяком случае динамическое равновесие между главными резервуарами

двуокиси углерода – биосферой, атмосферой, гидросферой и почвой – нарушено, и, можно сказать, система сейчас находится в переходном периоде. Поскольку даже самые быстрые процессы обмена СО 2 между резервуарами и выравнивание ее концентрации занимают десятки лет, новое равновесие установится еще не скоро. Постепенно в процесс вовлекаются и глубины океанов; окончательное распределение углерода зависит от скорости смены воды в них (порядка 1000 лет) и скорости взаимодействия с донными осадками.

Таким образом, главным регулятором круговорота углерода являются, несомненно, океаны, и количество двуокиси углерода в атмосфере в значительной мере определяется парциальным давлением СО 2, растворенной в море, которое установилось в доисторический период.

На рис. 6.4 сделана попытка изобразить все пути круговорота углерода в природе, особенно в биосфере.

Эта схема круговорота позволяет также судить о том, как глобальная углеродная система реагирует на вносимые изменения. Самые опасные нарушения в налаженном природой углеродном цикле – те, что делаются человеком. Непрерывно возрастающий выброс диоксида углерода от мирового сжигания топлива уже отражается на климате. Это означает, что мы пока не умеем управлять глобальным равновесием в природе. Использование топлива должно быть не стихийным, а контролируемым, с минимумом глобальных отрицательных последствий.