Геохимия ОС
Сжигание ископаемого органического топлива
В последние десятилетия химический состав атмосферы вызывает особенный интерес в связи с так называемым «парниковым эффектом», который заключается в том, что атмосфера поглощает энергию инфракрасной части спектра уходящего от поверхности Земли излучения в диапазоне 8-18 мкм. Усиление эффекта ведет к повышению средней температуры атмосферного воздуха, изменению ее распределения по земной поверхности, уменьшению атмосферной циркуляции и другим явлениям, вследствие чего могут начаться глобальные изменения климата с неблагоприятными последствиями: засуха, таяние ледников Антарктиды и Гренландии, подъем уровня Мирового океана, затопление прибрежных, плотно населенных территорий и др.
Общемировые запасы органического топлива слагаются в первую очередь из запасов угля (до 60 %), нефти и газа (около 27 %). В совокупном мировом их производстве (т. е. добыче) картина складывается иная — на уголь приходится более 30 %, а на нефть и газ — более 67 % от общей добычи топливных ресурсов. По данным Геологической службы США, промышленные запасы каменного угля на 1970 г составили 7640 млрд. т (7,64•1018г). Современная оценка дает геологические запасы угля в мире в 14,8 трлн. т (14,8•1018 г). Запасы нефти оцениваются в 400 млрд. т.
Если принять 70% за среднее содержание углерода в каменных углях, то его общее количество в этой группе горючих полезных ископаемых составит 1019 г. Если допустить, что все это количество углерода будет полностью сожжено и углерод окислен до состояния углекислого газа, то для этого потребуется 3,24•1019 г кислорода, т. е. всего 2,7% общего количества кислорода атмосферы (118•1019). Таким образом, даже при возрастании общих запасов каменных углей в пять раз количество потребного для их сжигания кислорода составит всего 7% атмосферного кислорода.
В этом ориентировочном расчете не приняты во внимание доля использования каменных углей для нужд химической промышленности, не сопровождающихся полным окислением углерода до СО2, окисление выплавленного железа и др. техногенные источники. Однако расчет дает представление о возможных масштабах роста содержания СО2 в атмосфере, что позволяет представить вероятные масштабы этого процесса.
Ещё в 70-80-ые годы проведены расчеты, указывающие на опасность увеличения концентрации антропогенной СО2. Сжигание горючих ископаемых способствует накоплению в атмосфере массы углекислого газа. В середине ХIX в. концентрация СО2 в атмосфере составляла около 290∙10–4 % объема, через 100 лет – 313∙10–4 %, в 1978 г. – 330∙10–4 %, в 1990 г. – 353∙10–4 %. По расчетам исследователей, в результате сжигания минерального топлива было выделено до 1978 г. около 140 млрд. тонн углерода в составе СО2. Анализ динамики концентрации углекислого газа в атмосфере показал, что его масса в атмосфере увеличивается за последние годы на 2,2 млрд. т/год. Индустриальные источники выбрасывают в атмосферу в составе СО2 около 5 млрд. т/год углерода, что примерно в 15 раз меньше количества данного элемента, ассимилируемого при фотосинтезе растительности Мировой суши. Разрыв уменьшается из-за снижения ассимиляционного потенциала биосферы.
Специальные исследования были посвящены выяснению динамики поступления углекислого газа и метана в тропосферу. Выяснилось, что северные регионы Евразии и Северной Америки служат основными источниками поступления СО2 и СН4 в атмосферу. Максимум концентрация СО2 приходится на осенне-зимний период и связан с деятельностью грибной и бактериальной микрофлоры. Наибольшая концентрация СН4 наблюдается в конце зимы – начале весны и связана с деятельность метанообразующих бактерий.
Привлекает внимание такое последствие сжигания возрастающих масс каменного угля, как изменение изотопного состава растений и всего живого вещества Земли. Каменный уголь является продуктом глубокой трансформации органического вещества растительного происхождения. Поскольку в процессе фотосинтеза предпочтительно поглощаются легкие изотопы углерода, постольку можно ожидать, что сжигание угля и поступление в атмосферу углекислого газа, обогащенного 12С, должно вести к обогащению живых организмов легким изотопом углерода. И действительно, исследуя годовые кольца стволов деревьев, американский биогеохимик Б. Болин (1985) показал, что по мере развития хозяйственной деятельности человека растительность обогащается изотопом 12С.
Сжиганием 1 трл. т углерода (10,4•1018г С) каменных углей будет произведено 36•1018г СО2. Если газообмен в атмосфере не изменится, то по аналогии с тем, что происходило до сих пор, около 50% углекислого газа будет адсорбировано океаном и другими поглотителями СО2, тогда количество углекислого газа, который поступит в атмосферу, в 7,7 раза превысит количество, присутствующее в ней в настоящее время. При этом содержание СО2 в воздухе будет более 0,2 вес. %.
Сжигать захороненные в горных породах углеводороды чрезвычайно опасно, так как это ведет к изменению её состава, сформированного в течение сотен миллионов лет, когда «лишняя» углекислота выводилась из атмосферы в горные породы и океан. В программе борьбы с потеплением климата в ближайшее время предусмотрено по всему миру строительство десятков заводов по извлечению СО2 из атмосферы и закачки её в глубокие пласты земной коры.