7. Глобальные запасы углерода
Упрощенный вариант цикла углерода приведен на рис. 5. Самыми большими резервуарами углерода являются морские отложения и осадочные породы на суше (20 000 000 ГтС), где он находится в основном в виде СаСО3. Однако большая часть этого материала не взаимодействует с атмосферой и подвергается круговороту через твердую часть Земли в геологических временных масштабах.
Рис. 7. Упрощенный вариант глобального цикла углерода. Цифры в рамках отражают размер резервуара в Гт С. Стрелки представляют потоки, а связанные с ними числа соответствуют размеру потока в Гт - год.
Следующим по величине резервуаром является морская вода (около 39000 ГтС), где углерод находится в основном в растворенной форме в виде HCO3- и СО32-. Однако глубинная часть океанов, где содержится основное количество углерода (38100 ГтС), не взаимодействует с атмосферой так быстро.
Запасы углерода в ископаемых топливах и сланцах тоже существенны, и считается, что большую часть их можно добыть — таким образом, он доступен для сжигания.
Самыми небольшими резервуарами являются биосфера суши (2190 ГтС) и атмосфера (750 ГтС). Именно небольшой размер последнего делает его чувствительным даже к небольшим изменениям процентного содержания углерода в других больших резервуарах, где эти изменения приводят к эмиссиям в атмосферу, как, например, при сжигании ископаемых топлив13.
8. Процессы выветривания и вулканическая деятельность
Еще одним источником CO2 являются вулканы, газы которых состоят главным образом из углекислого газа и паров воды. Некоторая часть углекислого газа и воды, извергаемых вулканами, возрождается из осадочных пород, в частности известняков, при контакте магмы с ними и их ассимиляции магмой. В процессе круговорота углерода происходит неоднократное фракционирование его по изотопному составу (12C—13C), особенно в магматогенном процессе (образование CO2, алмазов, карбонатов), при биогенном образовании органического вещества (угля, нефти, тканей организмов и др.).
Диоксид углерода атмосферы расходуется также на процесс выветривания горных пород, превращая последние сначала в средние, а затем в гидрокарбонаты, которые вымываются водой и накапливаются в океане. Например, при выветривании полевых шпатов, в частности анортита, образуется гидрокарбонат кальция:
Са(Al2Si2О8) + СО2 → СаСО3+А12О3+2SiО2
СаСО3+СО2+Н2О → Са(НСО3)2
Общее количество СО2, связываемое ежегодно при выветривании горных пород, достигает 2 млрд. т углерода14,15.
9. Галактоцентрическая парадигма
Галактоцентрическая парадигма постулирует, что эволюция нашей Галактики сопровождается непрерывным разрушением звезд в ее ядре и выносом продуктов их дезинтеграции двумя газопылевыми струйными потоками (рис. 8).
Рис. 8. Современное положение Солнца (кружок с точкой) относительно спиральных ветвей Галактики. Римские цифры - четыре галактических рукава (сплошные линии) по Ж. Балле16. Арабские цифры - два струйных потока (пунктирные линии). Г.ц. - галактический центр. Малый круг в центре - газопылевой ядерный диск, круг большего радиуса - кольцо Галактики. Стрелки указывают направление движения.
Распространись в экваториальной плоскости Галактики, эти газ и пыль конденсируются в плотные облака, кометы и звезды. Эти процессы резко усиливаются в зонах пересечения струйных потоков с галактическими рукавами. Солнце обращается вокруг центра Галактики по эволюционирующей эллиптической орбите, пересекая через каждые 20-37 млн. лет струйные потоки и галактические рукава. В такие эпохи длительностью 1-5 млн. лет планеты Солнечной системы подвергаются интенсивным бомбардировкам галактическими кометами.
Кометы отдают Земле свою кинетическую энергию, а также приносят на планету большие количества воды, углерода и других химических элементов. Энергия комет затем выделяется в геологических процессах (тектонических, вулканических, сейсмических и др.), а кометный материал в ходе глобального геохимического круговорота перераспределяется по внешним геосферным оболочкам планеты.
Согласно17 в эпохи кометных бомбардировок на Землю выпадает большая масса космического материала, включая углерод, который активно поглощается организмами и включается в глобальный круговорот вещества на планете. Перераспределяясь в биосфере по разным уровням системы, поступающее вещество нарушает сложившееся на Земле геохимическое равновесие.
Возврат системы в устойчивое состояние происходит за счет освобождения от «ненужных» веществ, в первую очередь, избытка воды и углерода, которые выводятся системой из активного круговорота. Основная масса воды поступает в Мировой океан, что объясняет известный ступенчатый характер изменения его уровня18. Вместе с водой в океан сносятся углерод и остальной космический материал.
Однако, из космоса, сквозь атмосферу на поверхность Земли выпадает примерно 40 млн. тонн метеоритного вещества в год. Процессы обмена веществом внутри экосферы отличаются значительно большими размерами. Поэтому можно сказать, что Земля — это закрытая система.