Общие представления о круговороте углерода

Из всех биогеохимических циклов круговорот углекислого газа один из самых интенсивных. Основными хранилищами этого вещества являются:

гидросфера (1,3∙1014 т),

атмо-сфера (2,3∙1012 т)

биосфера (2,0∙1012т углерода) (в пересчёте на углерод).

Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Миграция СО2 в биосфере протекает двумя путями.

Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием глюкозы и других органических веществ, из которых построены все растительные ткани. Растения извлекают в процессе фотосинтеза из атмосферы и гидросферы около 150 млрд. т углерода в год в виде СО2 . Далее возможно несколько вариантов:

дыхание растений;

• растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);

• углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищуредуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO₂;

растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо — например, в уголь.

Второй путь — растворение в морской воде. Углекислый газ СО2 обладает свойствами летучести и легкой растворимости - 0,88 объёма в 1 объёме воды , особенно в морской воде. Из атмосферы СO2 (30%) адсорбируется гидросферой. Примерно 100 млрд т СО2 находится в непрерывном круговороте между атмосферой и океаном.

Диоксид углерода участвует в реакциях, протекающих в гидро-сфере:

СО2+Н2О  Н2СО3  Н+ + НСО3-

В случае же растворения исходной молекулы CO₂ в морской воде также возможно несколько вариантов:

• углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);

углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк или из отложений вновь перейдет в морскую воду.

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где СО2 переходит в Н2СО3, НСО13, СО23. С помощью растворенного в воде кальция (или магния) происходит осаждение карбонатов (СаСО3) биогенным и абиогенным путями. Образуются мощные толщи известняков. По А. Б. Ронову, отношение захороненного углерода в продуктах фотосинтеза к углероду в карбонатных породах составляет 1:4.

Существует наряду с большим круговоротом углерода и ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

Содержание СО2, определяющего кислотность морской воды, остается постоянной благодаря карбонатно-бикарбонатному буферу. Этот буфер действует следующим образом: углекислый газ водорастворим, и в океанах его растворено около 140 трлн. т (против 2,6 трлн. т в атмосфере). При избытке СО2нерастворимый карбонат (СаСО3) переходит в растворимый бикарбонат Са (НСО3)2. При недостатке СО2 растворимый бикарбонат переходит в нерастворимый карбонат.

Общее количество СО2, связываемое ежегодно при выветривании горных пород, достигает 2 млрд. т углерода.. Диоксид углерода атмосферы расходуется также на процесс выветривания горных пород, превращая последние сначала в средние, а за-тем в гидрокарбонаты, которые вымываются водой и накапливаются в океане. Например, при выветривании полевых шпатов, в частности анортита, образуется гидрокарбонат кальция:

Са (Al2 Si2 O8) +CO2 = CaCO3+Al2 O3+2SiO2

СаСО3+СО2+Н2О = Са (НСО3)2

Таким образом, главную роль в круговороте углерода играет атмосферный и гидросферный фонды углекислого газа  . Этот фонд пополняется при дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики. Некоторая часть углерода ускользает из круговорота в захоронения. Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах.

С наступлением научно-технического прогресса появился ещё один важный поток - обогащение атмосферы углекислым газом в результате сжигания ископаемого топлива.

В целом же без антропогенного вмешательства содержание углерода в биогеохимических резервуарах: биосфере (биомасса+почва и детрит), осадочных породах, атмосфере и гидросфере, — сохраняется с высокой степенью постоянства благодаря высоко сбалансированным потокам. По Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994), постоянный обмен углеродом, с одной стороны, между биосферой, а с другой — между атмосферой и гидросферой, обусловлен газовой функцией живого вещества — процессами фотосинтеза, дыхания и деструкции, и составляет около 60 млрд т/год. Общая масса углерода в ископаемом топливе (нефть, газ, уголь и др.) оценивается в 3,2 тлрд т, что соответствует средней скорости накопления 7 млн т/год. Это количество по сравнению с массой циркулирующего углерода незначительное и как бы выпадало из круговорота, терялось в нем. Отсюда степень разомкну-гости (несовершенства) круговорота составляет 10-4, или 0,01%, а соответственно степень замкнутости — 99,99% — потоки синтеза и распада органических веществ в биосфере с очень высокой точностью подогнаны друг к другу. Скоррелированность потоков синтеза и распада с указанной точностью доказывает наличие биологической регуляции окружающей среды, ибо случайная связь величин с такой точностью в течение миллионов лет невероятна».