4.2.1. Круговорот углерода

Углерод встречается в биосфере в свободном состоянии в виде алмаза, графита, и в связанном состоянии в виде углекислого и угарного газов, карбонатов, угля, нефти, битумов и т.д. Углерод – обязательный химический элемент органических веществ, то есть является одним из самых важных биогенных элементов (углерод в теле человека содержится в количестве 19,4 % по массе). В состав воздуха углерод входит в виде углекислого газа в незначительном количестве – 0,03 %, но роль его огромна. Атмосферный углерод в виде углекислого газа фиксируется продуцентами, которые переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков. Кроме того, растения и животные на каждом трофическом уровне при дыхании выделяют CO₂ в атмосферу (как конечный продукт обмена). Движение углерода по пищевой цепи продолжается до тех пор, пока он в виде CO₂ не возвратится в атмосферу в результате дыхания или в результате гибели организмов. Мертвая органика разлагается микроорганизмами почвы, в результате углерод мертвых тканей окисляется до CO₂ и выделяется в атмосферу. Процесс выделения углекислого газа из почвы называется почвенным дыханием. Другая, более сложная часть круговорота углерода, протекает в Мировом океане, который в 50–60 раз больше поглощает углерода, чем наземные экосистемы. Холодные воды Мирового океана, поглощая двуокись углерода, растворяют его в воде, при этом образуются угольная кислота, карбонатные и бикарбонатные ионы. Существует и обратный процесс, в результате которого часть углерода в составе CO₂ возвращается в атмосферу. Другая часть, содержащаяся в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Цикл углерода замкнут не полностью и на суше. Углерод может выходить из него на длительное время в виде залежей каменного угля, торфа, гумуса и др. Углерод выключается из биологического круговорота в результате стагнации. Стагнация (лат. стагнум – стоячая вода) – это естественная блокировка круговорота какого-либо вещества.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, которые содержат до 500 млрд. т этого элемента. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, газа, нефти и вырубка лесов) приводит к увеличению содержания CO₂ в атмосфере и развитию парникового эффекта (рис. 6).

Рис. 6. Влияние парниковых газов на тепловой баланс Земли

(по Л. И. Цветковой и др., 1999)

Все виды солнечного излучения достигают поверхности Земли и нагревают ее. Часть тепловой энергии, отражаясь от поверхности Земли должна уходить в космическое пространство, но эта энергия интенсивно поглощается парниковыми газами. Основным парниковым газом является углекислый газ, он задерживает от 50–65 % энергии; метан – около 20 %; оксиды азота – не более 5 %; озон, фреоны и другие газы – 10–25 %. В результате парникового эффекта за последние 100 лет содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 20 %, при этом средняя температура у поверхности Земли увеличилась на 0,5–0,6 ^о С. Как показывают компьютерные модели, во второй половине ХХI столетия температура может повыситься на 1–3,5 ^о С, при чем повышение будет неравномерное, если на экваторе оно составит около 1–2 ^о С, то на полюсах может достичь 6–8 ^о С. Большинство ученых указывают на то, что столь значительное повышение средней температуры у поверхности Земли изменит погоду, климат и приведет к следующим негативным последствиям:

• затопление прибрежных зон океанов и морей, при этом целые государства уйдут под воду, множество беженцев мигрируют вглубь материков;

• таяние ледников в горах, в результате изменение режима рек и внутренних морей;

• таяние ледников Гренландии, Арктики, Антарктики приведет к изменению альбедо (от лат. albus – светлый) Земли, т.е. отражательной способности Земли (отношение светового потока, отраженного Землей, обратно в космическое пространство, к поступающей энергии) и повлияет на процессы тепломассопереноса в атмосфере и океане;

• воздействие указанных выше факторов изменит режим осадков, что усилит процесс опустынивания на плане Земля;

• приведет к снижению биоразнообразия, так как некоторые виды не смогут адаптироваться в короткие сроки к повышению температуры, и целые экосистемы могут исчезнуть;

• повышение температуры воды в Мировом океане, приведет к еще большей разбалансировке климата на наше планете, так как снизится процесс поглощения углекислого газа из атмосферы и усилится процесс выделения его из Мирового океана.

Вместе с тем глобальное потепление может иметь и положительные моменты:

• исследования показали, что увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере в два раза приведет к росту урожайности сельскохозяйственных культур на 30 %;

• в России зона рискованного земледелия отодвинется на 5001000 км на север. Судоходство по Северному морскому пути будет осуществляться без ледоколов в течение всего сезона, так как увеличение средней приземной температуры на 13,5 ⁰С означает увеличение средней температуры на полюсах на 68 ⁰С.

Для того чтобы уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу, необходимо значительно сократить количество углеродосодержащего топлива.

В июне 1988 года в Торонто состоялась международная конференция, которая рекомендовала сократить выбросы CO₂ в атмосферу к 2005 году на 20 %, используя альтернативные источники энергии.

В 1992 году конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро приняла конвенцию об изменении климата, по которой необходимо было стабилизировать к 2000 году выбросы парниковых газов на уровне 1990 года.

В декабре 1997 года состоялась Киотская международная конференция, в итоговом документе которой предусматривалось общее сокращение выбросов в атмосферу парниковых газов на 5,2 %. К 20082012 гг. страны Европейского союза должны сократить выбросы парниковых газов на 8 % от уровня 1990 г., США – на 7 %, Япония, Канада – на 6 %. Россия до 2012 г. может производить выбросы на уровне 1990 г. из-за сокращения промышленного производства. По протоколу возможна торговля квотами на эмиссию парниковых газов, особенно тех стран, которые сохранили огромные лесные массивы. Основные «поставщики» CO₂ в атмосферу, США и Китай, не ратифицировали протокол конференции. Киотское соглашение заключалось сроком на 12 лет.