2.3.1 Круговорот углерода

Биотический круговорот углерода является составной частью большого круговорота и связан с жизнедеятельностью организмов. Углекислота, или углекислый газ, находящиеся в атмосфере или в растворенном состоянии в воде, служат сырьем для фотосинтеза растений и переработки углерода в органическое вещество живых существ, т.е. в процессе фотосинтеза превращается в сахара, затем преобразуется в протеины, липиды и т.д. Эти вещества служат углеводным питанием животным, т.е. поступают в распоряжение консументов разных уровней, а далее - редуцентов.

При дыхании организмов углекислый газ возвращается в атмосферу. Определенная часть углерода накапливается в виде мертвой органики и переходит в ископаемое состояние. Когда наступает смерть, то сапрофаги и биоредуценты разлагают и минерализуют трупы, образуя цепи питания, в конце которых углерод нередко поступает в круговорот в форме углекислоты («почвенное дыхание»). Животные-сапрофаги и сапрофитные микроорганизмы, обитающие в почве, превращают накопившиеся в ней остатки в новое образование органической материи, более или менее мощный слой– гумус.

Иногда из-за недостатка воздуха или высокой кислотности цепь бывает неполной или короткой, т.е. органические остатки накапливаются в виде торфа, образуя торфяные болота. В некоторых болотах слой торфа достигает мощности 20 м и более. Здесь приостанавливается природный (биологический) круговорот. Залежи каменного угля или торфа – продукт процессов фотосинтеза растений прошлых геологических эпох.

Солнечную энергию, аккумулированную в ископаемом топливе, человек интенсивно высвобождает при сжигании топлива, при этом углекислый газ снова поступает в атмосферу.

Основная масса углерода биосферы аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана - известняках и кораллах, в кристаллических породах, в каменном угле и нефти. Этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается количеством углерода, содержащегося в растительных и животных тканях. Однако в настоящее время человек интенсивно замыкает на себя круговорот веществ, в том числе и углерода. Так, например, подсчитано, что суммарная биомасса всех домашних животных уже превышает биомассу всех диких наземных животных. Площади культурных растений приближаются к площади естественных биогеоценозов, и многие культурные растения экосистемы по своей продуктивности значительно превосходят природные.

С другой стороны, поступление диоксида углерода в атмосферу в результате сжигания энергоносителей ведет к глобальным нарушениям в биосфере – нарушению теплового баланса. За последнее столетие содержание углекислого газа увеличилось на 10%, причем основной прирост произошел в последние десятилетия. В атмосфере задерживается около половины всего «антропогенного» углекислого газа, остальное поглощается Мировым океаном.

На рисунке 2.2 приведена схема трансформации углерода в природных условиях.

Существенный интерес представляет и количественная оценка этапов трансформации углерода. По приблизительным оценкам из углекислого газа атмосферы в процессе фотосинтеза растениями ежегодно извлекается около 17 млрд. тонн углерода. Дыхание животных и растений, деструкция их останков после гибели постоянно возвращают атмосфере и водам океанов основную часть углерода в виде углекислого газа.

Если бы не происходили побочные процессы, общее возвращаемое подобным образом количество углекислого газа должно было бы приблизительно равняться усвоенному за то же время растениями. Однако, всегда имеет место некоторый вывод углерода из круговорота за счет минерализации останков растений и животных. Поэтому круговорот углерода не является вполне обратимым процессом и уже в его органической части намечается основная линия свободного развития этого элемента – постепенный переход его из атмосферы в горные породы.

В том же направлении, но гораздо более мощно действуют и неорганические реакции, протекающие между углекислым газом атмосферы и различными горными породами.

При выветривании горных пород некоторые содержащиеся в них металлы под действием углекислого газа переходят в соли: Са²⁺ +СО₂^2- → СаСО₃

Са²⁺ +2НСО₃^- → Са(НСО₃)₂

Эти соли, затем вымываются водой.

Общее количество углекислого газа, связываемого ежегодно при выветривании горных пород, по ориентировочным подсчетам составляет около 2 млрд. тонн углерода в год. Это громадный расход углекислого газа не могут компенсировать различные свободно протекающие природные процессы, ведущие к обратному переводу углерода из горных пород в атмосферу (извержения вулканов и т.д.).

Таким образом, и в своей неорганической части круговорот углерода является процессом, направленным на уменьшение содержания углекислого газа в атмосфере.

Развитие производственной деятельности человека оказало большое влияние на направление процессов, протекающих при свободном круговороте углерода. Это влияние многогранно. Так, например, вырубка лесов, промышленная выработка полезных ископаемых, при которой образуется значительное количество минеральной пыли, обнажаются свежие слои горных пород. За счет сжигания каменного угля (около 1,5 млрд. тонн), нефти (3 млрд. тонн), газа (1,5 – 20 млрд. кубометров), выделяется углекислый газ.

Можно с уверенностью полагать, что человечество в настоящее время ежегодно вводит в круговорот не менее 3 млрд. тонн углерода, заключавшегося до этого в горных породах. Эта деятельность значительно перекрывает естественную убыль углекислого газа из круговорота, что способствует возникновению «парникового эффекта».