2.1. Глобальный цикл углерода

В качестве главных резервуаров углерода можно выделить литосферу, гидросферу, педосферу и атмосферу. Практически весь углерод атмосферы содержится в форме газообразного диоксида углерода СО₂. Современная концентрация СО₂ составляет около 354 млн^-1. В доиндустриальной атмосфере, по данным палеоизмерений, содержание СО₂ составляло примерно 82 % от современного [10].

Крупным резервуаром углерода служит океаносфера. Неорганический углерод содержится в ней преимущественно в гидрокарбонатной форме.

Наибольшие количества углерода и углекислого газа сосредоточены в глубинах Земли, и этот запас можно рассматривать в качестве основного резерва биосферы. Поступление СО₂ из недр планеты в атмосферу происходит довольно медленно, поскольку углерод литосферы медленно вовлекается в естественные физико-химические и другие процессы, приводящие к его выделению в составе летучих компонентов.

Круговорот углерода осуществляется благодаря четко отлаженному в ходе эволюции механизму функционирования двух фундаментальных процессов – фотосинтеза и клеточного дыхания.

Фотосинтез – это сложный с химической точки зрения процесс, который могут осуществлять лишь те организмы, в клетках которых работают уникальные молекулы хлорофилла:

В процессе фотосинтеза энергия Солнца переходит в энергию химических связей органических соединений, прежде всего углеводов    (СН₂О)_n .. Ежегодный прирост биомассы в результате фотосинтеза на планете составляет около 200 Гт С_орг.

Клеточное дыхание – противоположный фотосинтезу процесс, в котором происходит расщепление синтезированных из СО₂ и Н₂О углеводов. Цель его – извлечь энергию из молекул углеводов (путем окисления), перевести ее в форму АТФ и далее использовать на различные энергетические нужды клетки.

Таким образом, и фотосинтез, и дыхание взаимосвязаны в едином потоке веществ в биосфере (рис.5).

Условно глобальный цикл углерода можно разделить на два цикла. Первый из них связан с потреблением углекислого газа СО₂ при фотосинтезе. Это потребление компенсируется выделением его в результате деятельности деструкторов, главным образом почвенных микроорганизмов.

Рис.5. Взаимосвязь процессов фотосинтеза и клеточного дыхания

Дополнительным источником служат лесные, степные пожары, возникающие в результате поджигания молниями (табл.1).

Таблица 1

Основные природные источники и стоки атмосферного со2

Источник или сток	Поток, Гт С/год
Фотосинтез растений в том числе на суше в океанах	-77,61 -52,86 -24,75
Окисление Сорг. микроорганизмами; естественные лесные, степные пожары	+77,60

Однако не весь углерод, вовлекаемый в фотосинтез, возвращается в атмосферу. Некоторая его часть сохраняется в педосфере в виде гумуса и торфа. Часть растительных осадков окисляется в почве, и углерод, в составе карбонатных и гидрокарбонатных ионов, выносится с континентальным стоком в моря и океаны. Туда же поступает углерод в составе растворенного и взвешенного органического вещества. В морской среде вынесенный углерод перераспределяется: он ассимилируется фитопланктоном или осаждается на дно, образуя осадки. Таким образом, этот цикл оказывается не полностью замкнутым.

Второй цикл формируется за счет газообмена между атмосферой и океаносферой: гидрокарбонат-карбонатная система океанов находится в подвижном равновесии с углекислым газом атмосферы. Это равновесие зависит главным образом от парциального давления СО₂ в атмосфере и от температуры.

Схематично обмен диоксидом углерода между атмосферой и океаносферой представлен на рис.6.

Рис.6. Схема обмена диоксида углерода между атмосферой,

поверхностными и глубинными водами Мирового океана

Углекислый газ активно растворяется в холодной морской воде в высоких широтах. Часть его вместе с массами холодной воды опускается на большие глубины, часть перемещается подводными течениями в направлении экватора. В низких широтах происходит нагревание воды и выделение диоксида углерода в атмосферу. По некоторым оценкам, в этот цикл ежегодно вовлекается около 30 Гт С/год [5, 10].

Второй цикл также не полностью замкнут, поскольку в океанах постоянно происходит осаждение и захоронение углерода в донных осадках в составе карбонатов.

Понятно, что разделение двух этих циклов достаточно условно, так как они связаны между собой биологическими процессами: захваченный гидрокарбонат-карбонатной системой океанов атмосферный диоксид углерода отчасти потребляется фитопланктоном и затем вновь высвобождается в результате деятельности деструкторов, т.е. включается в биотический круговорот (рис.7).

Рис.7. Круговорот углерода

Таким образом, цикл углерода с глобальной точки зрения – сложный биосферный процесс, объединяющий в единое понятие «живое» все организмы, населяющие планету.