4. Круговорот углерода

Из всех биогеохимических циклов круговорот углерода самый интенсивный [12, с. 418]. В наиболее общем виде его можно представить как процесс освобождения и связывания диоксида углерода (СО₂), включая его растворение в воде океанов (рис. 31).

В. И. Вернадский в своем труде о биосфере писал: «Преобладающее, особое значение атомов углерода свойственно не только живым организмам, это свойство биосферы, ее живой и косной материи, до известной степени всей земной коры».

С углеродом связан процесс возникновения и развития жизни на Земле. По распространению углерод занимает на планете одиннадцатое место. В атмосфере его содержится 0,034 % в форме углекислого газа и 0,00016 % в форме метана; в земной коре – 0,35 % и в живом веществе – около 18 %. Он вовлекается в цепь непрерывных реакций и биогеохимических круговоротов, соединяясь с большинством элементов самыми разнообразными способами.

Источником первичной углекислоты в биосфере является вулканическая деятельность как выражение вековой дегазации мантии и нижних горизонтов земной коры. Часть глубинной кислоты возникает при термическом разложении древних известняков в зонах метаморфизма.

Рис. 31. Круговорот углерода в биосфере Земли

Миграция СО₂ в биосфере протекает двумя путями. Первый из них обусловлен связыванием СО₂ в органическое вещество путем фотосинтеза и новым образованием СО₂ в процесс трансформации первичного органического вещества организмами-гетеротрофами и почвенными микроорганизмами. Продуктивность растительности Мировой суши до ее нарушения человеком составляла 172,510⁹ т сухого органического вещества, содержащего 46 % углерода, т. е. около 8010⁹ т. В настоящее время продуктивность природной растительности сократилась. Продукцию фотосинтеза в океане определяют в (40 - 50)10⁹ - 6010⁹ углерода в год (А. Е. Романкевич, 1988). Из рассматриваемого цикла постоянно выводится значительное количество углерода в составе органического вещества. Только на суше (в гумусе педосферы) за время не более 1000 лет накоплено углерода в 2 раза больше, чем его содержится в атмосфере. Можно предположить, что в состав стабильных долгоживущих гумусовых соединений уходит до 30 % массы углерода ежегодно отмирающих органов растений, а полное возобновление гумуса почв в среднем составляет 1000 -1500 лет.

Второй крупный биохимический цикл углерода связан с взаимодействием СО₂ атмосферы и природных вод. Между газами тропосферы и поверхностным слоем океана существует подвижное равновесие. В пресной воде газы растворяются больше, чем в соленой, но количество пресной воды на поверхности Земли неизмеримо меньше, чем соленой. Поэтому в глобальном балансе СО₂ пресные воды играют скромную роль. Среднее содержание СО₂, растворенного в морской воде, принято равным 0,75 мл/л. В отличие от других газов, СО₂ вступает в химическое взаимодействие с водой: СО₂ + Н₂О  Н₂СО₃. Угольная кислота двухосновная и диссоциирует ступенчато, образуя карбонат-гидро­карбонатную систему:

Н₂СО₃  Н⁺ + [HCO₃]^- [HCO₃]^-  H⁺ + CO₃^2-.

Масса гидрокарбонат-иона в Мировом океане - 19610¹² т, в пересчете на СО₂ - 14110¹² т. Это количество почти в 60 раз превышает массу углекислого газа, находящегося в атмосфере. Таким образом, океан является основным резервуаром СО₂ на поверхности Земли.

Благодаря процессу растворения – выделения СО₂ с поверхности океана - и карбонат-гидрокарбонатной системе происходит массообмен СО₂ между атмосферой и океаном. Движение масс СО₂ схематично можно представить следующим образом. СО₂ активно растворяется в холодной воде приполярных районов океана. При охлаждении возрастает и плотность воды. Массы холодной воды опускаются на глубину и в виде мощных холодных течений перемещаются к экватору. Они постепенно нагреваются, уменьшают плотность, поднимаются наверх и освобождаются от избытка СО₂. Океан действует как грандиозный насос, забирая СО₂ из атмосферы в холодных областях и отдавая ее в тропических областях. На массообмен СО₂ между поверхностным слоем океана и тропосферой весьма активно влияют живое вещество планктона, освещенность, сезонно-термические условия.

Образование карбонатных отложений в значительной мере обусловлено поступлением ионов Ca²⁺ с речным стоком. Вынос ионов Са²⁺ составляет немногим более 0,5310⁹ т/год. Это количество может обеспечить вывод в осадок CaCO₃ 1,3310⁹ т/год. Общее количество углерода, ежегодно связываемого в составе карбонатов, составляет в год около 0,2310⁹ т/год.

Характерной чертой двух главных циклов массобмена является их незамкнутость и выведение из циклов некоторого количества углерода в форме неживого органического вещества и карбонатов. Общая масса углерода в ископаемом топливе (нефть, газ, уголь и др.) оценивается 3,210¹⁵ т, что соответствует средней скорости накопления 7∙10⁶ т/год.

В постоянном круговороте находится 0,2 % мобильного запаса углерода. Углерод биомассы обновляется за 12, а атмосферы – за 8 лет. Огромный контраст между кратностью данных периодов, постоянством и возрастом биосферы подтверждает высочайшую сбалансированность «мира углерода».

Синтез и разрушение органического вещества в океане существенно отличаются от того, как протекают эти процессы на суше. Укажите, в чем заключается это отличие…

[1] более быстрый жизненный цикл главных фотосинтетиков океана – планктонных организмов – по сравнению с наземными растениями;

[2] если замена массы растительности Мировой суши происходит за период около 15 лет, то оборот массы фитопланктона происходит за 1-2 суток, а обновление всей биомассы океана примерно за один месяц;

[3] синтезированное планктоном органическое вещество почти не захватывается и не разлагается последующими трофическими циклами;

[4] цикл полностью замкнут и количество поглощенного при фотосинтезе СО₂ полностью возвращается в исходный резервуар – атмосферу.