Круговорот углерода
Углерод является важнейшим химическим элементом нашей планеты, хотя его на Земле в 49 раз меньше, чем кислорода, и в 26 раз меньше, чем кремния.
С углеродом связан процесс возникновения и развития биосферы, именно он обусловливает огромное разнообразие и сложность строения веществ, так как этот элемент способен соединяться с большинством из элементов самыми разнообразными способами. Так, углерод в соединении с водородом и другими элементами является одним из основных компонентов клеток растений и животных. Например, в организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21 (15 кг на 70 кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).
Многочисленность и очень широкое распространение живых организмов не позволяют удовлетворительно оценить общее содержание в них углерода. Можно, однако, приблизительно оценить суммарное количество углерода, связываемого растениями, а также выделяемого в процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов. Установлено, что зеленые растения поглощают в год порядка 220 млрд. т CO2. Почти такое же количество этого вещества выделяется в неорганическую среду в процессе дыхания всех живых организмов, а также в результате разложения и сгорания органических веществ.
При определенных условиях разложения и сгорания созданных живыми организмами веществ не происходит, что ведет к накоплению углеродсодержащих соединений. Так, например, древесина живых деревьев может быть на 3–4 тысячелетия надежно защищена от микробного разложения и от пожара корой, способной противостоять действию микробов и огня. Древесина же, попавшая в торфяное болото, сохраняется еще дольше. В обоих случаях связанный в ней углерод оказывается как бы в ловушке и надолго выводится из круговорота. В условиях, когда органическое вещество оказывается захороненным и изолированным от воздействия воздуха, оно разлагается только частично и содержащийся в нем углерод сохраняется.
Если впоследствии в течение миллионов лет эти органические остатки подвергаются давлению вышележащих отложений и нагреванию за счет земного тепла, значительная часть его превращается (процесс метаморфизации) в ископаемое топливо, например в каменный уголь или нефть, во что именно – зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах.
Ископаемое топливо образует природный резерв углерода. Так, каменные угли содержат 76–95 % С, бурые угли – 64–80 % С, торф – 53–56 % С, нефть – 82–87 % С, горючие ископаемые – антрацит – 94–97 % С. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита.
Несмотря на интенсивное сжигание ископаемого топлива, начавшееся с 1700-х годов, неизрасходованными еще остаются примерно 20×1015 т, и суммарное содержание углерода в земной коре составляет около 0,35 %.
Вторым резерватом углерода является Мировой океан, в котором присутствует в 500 раз меньше углерода, чем в земной коре.
Роль углерода в биосфере лучше всего иллюстрируется схемой его круговорота.
Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. За геологический период с момента появления жизни на Земле углерод атмосферы и гидросферы неоднократно прошел через живые организмы. В течение 3–4 лет растения усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере. Следовательно, за четыре года может обновиться углеродный состав атмосферы, и условно можно считать, что углерод атмосферы за этот срок завершает свой цикл. Однако цикл биологического круговорота углерода не замкнут: этот элемент часто выходит из круговорота на длительный срок в виде карбонатов, торфов, сапропелей, углей, гумуса. С другой стороны, нарушение цикла происходит и благодаря поступлению в атмосферу глубинного углекислого газа и окиси углерода.
Основной путь, посредством которого углерод из мира неорганического перемещается в мир живого, – это осуществляемый растениями фотосинтез. В ходе цепи реакций, идущих с потреблением солнечной (световой) энергии, происходит расщепление молекул воды и использование высвобождающихся ионов водорода и связанного СО2 в синтезе богатых углеродом органических веществ, в том числе акцептора СО2.
На каждую молекулу углекислого газа, которую поглощает растение, чтобы синтезировать органические вещества, выделяется молекула кислорода, образованная при расщеплении воды. Предполагается, что именно таким путем образовался весь свободный кислород атмосферы. Если бы процесс фотосинтеза на Земле внезапно прекратился и нарушился углеродный цикл, то, согласно имеющимся расчетам, весь свободный кислород исчез бы из атмосферы примерно за 2000 лет.
Для прогнозирования поведения углерода в биосфере необходимы массовые сведения по содержанию углекислоты в атмосфере разных регионов и на разных уровнях, сведения о влиянии изменения концентрации ее в атмосфере на первичную продуктивность. В пределах одного и того же региона накопление, трансформация и миграция углерода различны: в элювиальном, транзитном и аккумулятивном ландшафтах, в естественных биоценозах и в агроценозах.
Хозяйственная деятельность человека интенсифицирует биологический круговорот углерода и может способствовать повышению первичной и, следовательно, вторичной продуктивности. Но дальнейшая интенсивность этой деятельности может сопровождаться повышением концентрации двуокиси углерода в атмосфере. Повышение концентрации углекислоты до 0,07 % резко ухудшает условия дыхания человека и животных. Расчеты показывают, что при условии сохранения современного уровня добычи и использования горючих ископаемых потребуется чуть более 200 лет для достижения такой концентрации в атмосфере Земли. Локально в отдельных крупных городах эта угроза вполне реальна уже в настоящее время.