5. Круговорот углерода в окружающей среде

Круговорот углерода. Углерод по распространению на Земле занимает. 16-е место среди всех элементов. В наиболее общем виде круговорот углерода можно представить как про­цесс освобождения и связывания диоксида углерода (СО2), включая его растворение в воде океанов (рис. 2.3).

В.И. Вернадский в своем труде о биосфере писал: «Преоб­ладающее, особое значение атомов углерода свойственно не только живым организмам, это свойство биосферы, ее живой и косной материи, до известной степени всей земной коры». С углеродом связан процесс возникновения и развития жизни на Земле. В атмосфере его содержится 0,046 % в форме угле­кислого газа и 0,00012 % в форме метана; в земной коре - 0,35 % и в живом веществе - около 18 %. Он вовлекается в цепь не­прерывных реакций и биогеохимических круговоротов, сое­диняясь с большинством элементов самыми разнообразными способами. В то же время связь атомов углерода между собой и с другими атомами (кислорода, водорода, серы, фосфора и др.) может быть разрушена под воздействием природных фак­торов.

Предполагается, что углерод распределен в довольно тон­ком слое земной коры, в атмосфере в виде диоксида и оксида углерода и в животной и растительной биомассах. Основные запасы углерода в природе содержатся в минералах и горных породах главным образом в форме карбонатов (СаСОз) и гид­рокарбонатов (Са(НСОз»2, представляющих собой раствори­мые и нерастворимые донные отложения в Мировом океане, накопившиеся за миллионы лет геологической истории Зем­ли. Этот процесс продолжается и в настоящее время.

В несвязанном состоянии углерод встречается в виде алма­зов (наибольшие месторождения в Южной Африке и Брази­лии) и графита (наибольшие месторождения в Германии, Шри-Ланке и России). Каменный уголь содержит до 90 % уг­лерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы, например в кальцит и доломит, а также в состав всех биологических ве­ществ.

Углекислый газ, содержащийся в воздухе и воде, составля­ет запас углерода, участвующего в создании биомассы. Содер­жание СО2 в атмосфере нестабильно (менее 1 %), и подверже­но сезонным изменениям. В настоящее время наблюдается его увеличение, связанное с антропогенным воздействием. Если 100 лет назад содержание углекислого газа составляло при­мерно 270 частей на 1 млн, то сегодня эта цифра выросла до 350 частей на 1 млн.

Также постепенно растет (на 1-2 % ежегодно) содержание в атмосфере метана и оксида углерода, что тоже связано с сельским хозяйством и энергетикой. В тех районах, где в про­цессе выработки энергии потребляется большое количество ископаемого топлива, зарегистрирован небольшой, но неук­лонный рост концентрации оксидов азота и серы.

Если сравнить содержание диоксида углерода в водах (ре­ки, озера, моря), атмосфере и океане, то окажется, что Миро­вой океан содержит более 98 % общего запаса углерода атмо­сферы и гидросферы.

Следует подчеркнуть, что цикл биологического круговоро­та углерода не замкнут. Углерод может выходить из него на довольно длительный срок в виде карбонатов, торфов, сапро- пелей, гумуса и других органических осадков. В разных цик­лах биологического круговорота участвует около 98-99 % ас­симилированного углерода.

Если в круговороте кислорода зеленые растения являются его поставщиком в атмосферу, то в круговороте углерода они являются мощным механизмом, улавливающим его из атмо­сферы в виде углекислого газа и связывающим в органические соединения. В процессе фотосинтеза углерод ассимилируется растения ми и переводится в углеводы. В процессе же дыхания происходит обратный процесс: углерод органических соеди­нений превращается в диоксид углерода.

Ежегодно наземные растения связывают около 18 млрд т уг­лерода, растения морей - 25 млрд т. Еще одним мощным ути­лизатором углерода являются морские организмы, которые используют его для образования своих скелетов. В дальней­шем остатки отмерших морских организмов опускаются на дно морей и океанов и образуют мощные отложения известня­ков. Между углекислым газом атмосферы и водой океана су­ществует подвижное равновесие. Организмы поглощают угле­кислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образу­ются пласты известняков.

Наличие углерода непосредственно связано с наличием кислорода, поскольку на каждую молекулу кислорода должна где-то существовать и молекула восстановленного углерода. Это позволяет оценивать запасы углерода в биосфере величи­ной порядка 2-10^^-2-10^^ т. Казалось бы, такого количества углерода должно хватить на многие миллионы лет. Так оно и есть. Сложность, однако, в том, что большая часть этого эле­мента распылена. А то, что мы извлекаем на поверхность Зем­ли в виде угля, нефти и других полезных ископаемых, это лишь малая доля общего количества восстановленного угле­рода в осадочных породах.

В воде углекислый газ растворяется в 35 раз лучше кисло­рода. От его содержания зависит количество растворенных гидрокарбонатов, т.е. жесткость воды. Если содержание СО2 в воде уменьшается, то выпадает осадок нерастворенного карбо­ната, который будет растворен при восстановлении равнове­сия между углекислым газом и гидрокарбонатом.

В технике и быту нарушение углекислотного равновесия приводит к образованию накипи в котлах ТЭЦ и других сис­темах, использующих воду. В природных условиях результа­том этой реакции является образование полостей в земной ко­ре, сталактитов и сталагмитов.