Круговорот углерода

Основные этапы круговорота углерода:

1. СО₂ поглощается при фотосинтезе зелеными растениями и фотосинтезирующими водорослями;

2. углерод проходит по цепям питания в составе разнообразных органических соединений;

3. углерод выделяется в составе СО₂ при дыхании всех видов организмов в воздух и воду;

4. часть углерода постоянно выводится из круговорота: заторфовывается, недоокисляется и переслаивается осадочными породами с образованием нефти, угля, сланцев;

5. при соединении СО₂ с Са²⁺ часть углерода выводится из цикла бактериями, простейшими, коралловыми полипами и моллюсками, с образованием залежей известняков.

Круговорот углерода неразрывно связан с круговоротом кислорода, поскольку СО₂ является ключевым звеном для обоих круговоротов. В течение геологической истории Земли содержание СО₂ в атмосфере все время снижалось от примерно 60 до 0,33 % в настоящее время. Процессы недоокисления органических остатков редуцентами привели к образованию известняков, угля, газа и горючих сланцев – резервуара углерода.

Человек сжигает ископаемое топливо, возвращая в атмосферу углерод. Факты увеличения количества углекислого газа и метана в атмосфере доказаны. За последние 100 лет концентрация СО₂ увеличилась с 0,27 до 0,33 %. Широкая общественность связывает повышение концентрации СО₂ в атмосфере с глобальным потеплением. Парниковым эффектом (способностью задерживать тепловое излучение Земли в космос) обладают многие газы: фреоны (хлорфторуглероды, например, CCl₂F₂), CH₄, СО_2, N₂O, пары Н₂О и многие другие. Прогнозируемое потепление в ближайшее 100 лет – 4,5 ºС не будет равномерным. У полюсов температура повысится на 10 – 12 ºС, что приведет к активному таянию льдов и повышению уровня Мирового океана на 5 – 7 м.

Последствиями парникового эффекта могут быть:

1. затопление низменностей, утрата плодородных пойм;

2. усиление засушливости климата (Сахары, Северной Америки, Индостана);

3. перестройка циркуляции атмосферы, усиление штормовой активности.

4. смещение климатических зон, таяние многолетней мерзлоты и гибель лесов на мерзлоте;

5. увеличение продуктивности растительных сообществ, благоприятные условия для сельского хозяйства в некоторых регионах.

Нельзя однозначно установить зависимость потепления от повышения концентрации СО₂ в атмосфере, возможно, что именно потепление определяет повышение концентрации СО₂ . Непериодические колебания средней температуры атмосферы были и раньше, задолго до появления человека (до масштабного сжигания ископаемого топлива). Ежегодный антропогенный выброс СО₂ в атмосферу примерно 5,6 млрд. т, то есть около 10 % круговорота углерода в наземных экосистемах. Однако масштабы океанической циркуляции углерода гораздо больше, чем наземной. В океане в растворенном виде СО₂ в 50 раз больше, чем в атмосфере. К тому же человеческая деятельность способствует не только потеплению, но и похолоданию, поскольку вместе с парниковыми газами в воздух выбрасывается много пыли и сажи, задерживающих солнечные лучи.

Круговорот кислорода

Круговорот кислорода – планетарный процесс, связывающий атмосферу, гидро- и литосферу через совокупную деятельность живых организмов.

Основные этапы круговорота:

1. производство кислорода при фотосинтезе фотоавтотрофами суши и океана;

2. производство кислорода при диссоциации Н₂О и О₃ в верхних слоях атмосферы под действием ионизирующего и ультрофиолетового излучения (незначительное количество);

3. потребление О₂ при дыхании живых организмов;

4. потребление кислорода при почвенном дыхании (окислении органики почвенными микроорганизмами);

5. потребление О₂ при горении и других формах окисления (извержение вулканов);

6. потребление кислорода на производство О₃ в стратосфере;

7. участие в океанических преобразованиях гидрокарбонатов в составе СО₂ и Н₂О:

Весь О₂ полностью проходит через живые организмы за 2 000 лет. Ежегодное производство кислорода фотосинтетиками Земли примерно 240 млрд. т. В океане кислорода в растворенном виде так же, как и СО₂ гораздо больше, чем в атмосфере (от 2 до 8 г/л). Часть органического вещества захороняется, поэтому часть кислорода выводится из цикла.

Биосферных проблем, связанных с циркуляцией кислорода в атмосфере, несколько:

1. при сжигании ископаемого топлива тратится огромное количество кислорода. Совокупное годовое потребление на Земле кислорода 230 млрд. т, из низ на дыхание растений и животных идет 2,6 млрд. т, почвенное окисление – 50 млрд. т, остальное – процессы горения. С учетом быстрого сведения лесов на планете и возрастающими темпами индустриализации закономерно: в будущем дальнейшее возрастание потребления и снижение производство О₂.

2. в результате человеческой деятельности в атмосферу попадают сотни веществ, многие из которых являются парниковыми газами и разрушителями озонового слоя стратосферы, Например, озоновый слой разрушается при попадании в атмосферу хлора и азота.

В стратосфере под действием жесткого ионизирующего излучения (менее 242 нм) молекулы О₂ распадаются на атомы, которые соединяются с молекулами О₂ и образуют озон (О₃). В результате, образуется слой, непроницаемый для ультрафиолета А (< 280 нм), В (280 < <315 нм) и задерживающий большую часть ультрафиолета С (315 < 400 нм). При поглощении озоном квантов УФ-излучения выделяется тепловая энергия, за счет которой и разогревается стратосфера.

Толщина озонового слоя измеряется в единицах Добсона (100 Д.е = 0,1 см при нормальном атмосферном давлении). У полюсов озона больше (301,6 Д.е.), чем у экватора, зато толщина тропосферы больше у экватора. Концентрация озона и продолжительность его жизни различна на разных высотах, меняется от времени суток, сезона. На каждой высоте имеются свои источники озона и свои стоки, обмен озоновыми массами идет также между различными широтами. В целом оценка содержания циркуляции озона в атмосфере – очень трудоемкий процесс с примерными фактическими результатами.

Причины разрушения озонового слоя:

1. гидроксил-ион (ОН^-), образующийся при распаде воды, является мощным катализатором при разрушении озона;

2. закись азота (N₂О), которая образуется при работе сверхзвуковых двигателей, в атмосфере, превращается в NО – разрушитель озона;

3. Н₂, поступающий с вулканическими газами может быть инициатором снижения количества озона;

4. возможно разрушение озона на поверхности капелек серной кислоты и сульфатов в атмосфере, которые образуются при выбросах в атмосферу оксидов серы (SО₂ и SО₃);

5. соединения хлора и брома в инертном виде поступают в стратосферу. Кванты УФ-излучения активизируют атомы хлора, которые очень активно, самостоятельно или в составе ClO, ClONO₂ разрушают озон. Фреоны (хлорфторуглероды) – инертные, плохо растворимые в воде газы, используются в качестве хладоагентов в холодильниках и распылителях в аэрозольных баллонах. Это очень стойкие соединения, разрушаются только в стратосфере под действием ионизирующего излучения, при этом выделяется хлор.

На международном уровне принята система мер по сокращению производства фреонов (Монреальский протокол 1987 года). Однако, как и в случае с парниковым эффектом, наблюдается сведение сложного многофакторного процесса к поиску единственного регулируемого параметра. Реакций преобразования озона сотни, динамика разложения фреонов в тропосфере изучена недостаточно, рост Антарктической озоновой «дыры» коррелирует с изменением солнечной активности, на содержание газов в стратосфере влияет вулканическая активность и т.д.

По прогнозам при сокращении стратосферного озона на 5 % поток ультрафиолетового излучения увеличится на 10 %, а количество заболеваний разными видами рака кожи – на 20 – 30 %. Самый опасный вид рака кожи – меланома. Начиная с 1935 года количество больных меланомой удваивается каждые 10 лет. Катаракта – помутнение кристаллика глаза – также инициируется ультрафиолетовым излучением. За последние 50 лет наблюдается уверенный рост заболеваемости катарактой.

Восполнение стратосферного озона происходит двумя путями: половину производит Солнце, другую – разряды молний. В тропосфере озон является активным ядом, подавляющим клеточный синтез и относящийся к 1 классу опасности. Поэтому грамотные решения в глобальном масштабе можно принимать лишь на основе глубокого изучения всех тонкостей происходящих в биосфере процессов.