2. Круговорот углерода

Углерод —основной биогенный элемент; он играет важнейшую роль в образовании живого вещества биосферы, потому что:

а) Все формы жизни на Земле основаны на соединениях углерода;

б) Реакции окисления и восстановления соединений углерода в экосфере обусловливают глобальное распространение и баланс не только углерода, но и кислорода, а также и многих других химических элементов;

в) Способность атома углерода создавать цепи и кольца обеспечивает разнообразие органических соединений;

г) Углеродсодержащие газы - углекислый газ и метан (СН₄) – играют определяющую роль в антропогенном парниковом эффекте.

Основные экосферные резервуары углерода находятся в гидросфере, биосфере и атмосфере. Между ними происходит активный обмен с интенсивностью в десятки миллиардов тонн углерода в год.

Запас углерода в биосфере составляет около 20 000 000 млрд т, из которых 99% представлены отложениями СаСО₃. Около 10 000 млрд т углерода находится в виде ископаемого топлива (уголь, нефть, газ). Содержание углерода в биомассе (млрд т): наземные растения - 450, поверхностные слои моря - 500, фито-, зоопланктон и рыбы - 10-20, в неживой органике: в океане - 3000, в почве - 700. В атмосфере воздуха в виде СО₂ - около 1000 млрд т.

Запасов углерода очень много, но лишь CO₂ воздуха представляет собой источник углерода, который усваивается растениями в количестве около 35 млрд т в год. Растения поглощают углекислый газ, который в процессе фотосинтеза превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Растительные организмы, особенно низшие микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения продуцируют в год около 1,5·10¹¹ т углерода в виде органической массы, что соответствует 5,86·10²⁰дж (1,4·10²⁰кал) энергии. Растения частично поедаются животными (при этом образуются более или менее сложные пищевые цепи). В конечном счёте органическое вещество в результате дыхания организмов, разложения их трупов, процессов брожения, гниения и горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим др. каустобиолитам — каменным углям, нефти, горючим газам (рис. 2). Так, в древесине связанный углерод (всего до 500·10⁶т) может сохраняться десятки, а иногда и сотни лет, а в биогенных известняках, каменных и бурых углях – десятки и сотни миллионов лет. То же можно сказать и о залежах нефти и газа.

Рис. 2. Схема круговорота углерода. Содержание углерода дано в г/см² поверхности Земли. Обмен углерода дан в g (1·10^-6 г) на 1 см² поверхности Земли в год.

Возврат углерода в атмосферу происходит в процессе дыхания животных и растений (около 10 млрд т), разложения организмов в почве (в виде СO₂, углеводородов, меркаптанов; около 25 млрд т). В процессах распада органических веществ, их минерализации огромную роль играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы (например, плесневые).

Сверх биогенного, сбалансированного углерода в атмосферу поступает антропогенный диоксид углерода после сжигания углеродного топлива (уголь, нефть, газ, сланцы, лес и т.п.; 5 млрд т) и природный его диоксид – при извержении вулканов⁷.