где C(t) – атмосферная концентрация СО2 (ppm); Qfoss –

индустриаль- ная эмиссия углерода, Гт С/год, связанная с сжиганием ископаемого топлива и производством цемента; Dn –

биоэмиссия (вырубка лесов, изменение количества почвенного углерода и т.п.); SOC – сток в оке- ан; Sfert – фертилизационный сток

(от растений); Sresid – сток за счет короткопериодной климатической

изменчивости.

Основным уравнением не только углеродного, но и кислород- ного цикла является уравнение фотосинтеза:

СО2 + Н2О + Свет → СН2О + О2 + Энергия,

(6.10)

хотя помимо простейшего формальдегида СН2О в результат фото-

синтеза могут образовываться и более сложные органические сое- динения.

Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферной дву- окиси углерода в процессе фотосинтеза (в растениях и некоторых микроорганизмах). Часть образовавшихся углеводов используется самим растением для получения энергии. При этом двуокись угле- рода (продукт реакции) уходит через листья или корни растения. Часть фиксированного растениями углерода потребляется живот- ными, которые получают его с пищей и выделяют его при дыхании в виде углекислого газа. Мертвые растения и животные разлагаются микроорганизмами почвы, углерод их тканей окисляется до двуоки- си и возвращается в атмосферу. Суммарная масса живого органиче- ского вещества, поддерживаемая в результате фотосинтеза зеленых растений, известна только приблизительно. Не вызывает сомнений, что ее основная часть состоит из растений (масса животных состав- ляет малую долю общего количества вещества живых организмов) и что в общей массе растений преобладают деревья. В связи с этим планетарная величина биомассы в значительной мере определяется распространением лесов на континентах. Леса не только основные потребители двуокиси углерода на суше, но и главный резервуар биологически связанного углерода (400–500 Гт). Можно полагать, что среднее время круговорота углерода в земных организмах равно 10–17 годам и близко к аналогичному показателю для атмосферы.

Выделяются три стадии круговорота углерода: первая – это по-

Пути круговорота углерода в океане сильно отличаются от его путей на суше. В воде мертвые организмы, опускаясь вглубь,

усваивается фитопланкто- ном, а кислород уходит в раствор.

показывают, что вся атмосферная двуокись углерода раство- рилась бы в океане за 5–10 лет. Иначе говоря, за год около 93 млрд т атмосферной двуокиси углерода растворяется в море и замещается примерно равным количеством двуокиси углерода из океана.

На создание органического вещества ежегодно расходуется

около 300·109 т углекислого газа, то есть более 10 % количества СО2, содержащегося в атмосфере. Почти вся эта масса возвраща-

ется в атмосферу и гидросферу в результате окисления организмов и продуктов их жизнедеятельности. Важно подчеркнуть, что цикл круговорота углерода в результате создания органического веще- ства полностью замкнут. Из общей массы органического углерода, ежегодно поглощаемого растениями, только очень небольшая часть переходит в литосферу и выходит из этого круговорота.

Человек изменяет условия на Земле не только тем, что сжигает горючие ископаемые. За последние столетия были расчищены и от- ведены под сельскохозяйственные культуры большие площади, ра- нее занятые лесом. В таких районах, конечно, изменился характер почвенного дыхания, и это отразилось бы на содержании СО2 в ат-

мосфере, если бы одновременно не усилилось сжигание горючих ископаемых. Во всяком случае, динамическое равновесие между главными резервуарами двуокиси углерода – биосферой, атмосфе- рой, гидросферой и почвой – нарушено, и, можно сказать, система сейчас находится в переходном периоде. Поскольку даже самые бы- стрые процессы обмена СО2 между резервуарами и выравнивание

ее концентрации занимают десятки лет, новое равновесие устано- вится еще не скоро. Постепенно в процесс вовлекаются и глубины океанов; окончательное распределение углерода зависит от скоро- сти смены воды в них (порядка 1000 лет) и скорости взаимодействия с донными осадками.

Ежегодное сжигание примерно 5 млрд т горючих ископаемых должно увеличивать атмосферный запас двуокиси углерода на 0,7 %,

3.По третьему сценарию бюджета углерода вся биота, как суши, так и океана, переведена в возмущенное состояние при пол- ном ее освоении человеком. В этом случае возмущенная биота сама превратится в источник углерода с эмиссией 9 Гт в год, что в 1,5 раза больше антропогенной эмиссии за счет сжигания углеродного то- плива, которая принимается на том же уровне 6 Гт углерода в год. В этом случае ежегодное накопление углерода в атмосфере будет составлять 12 Гт, что приведет к ее катастрофическому нагреванию.

4.Последний сценарий позволяет установить углеродное рав- новесие, когда в атмосфере не будет происходить накопления угле- рода. Такое равновесие может быть установлено даже без уменьше- ния антропогенной эмиссии углерода за счет сжигания ископаемого топлива, а только за счет перевода половины возмущенной биоты суши обратно в невозмущенное состояние. Тогда оставшаяся воз- мущенная биота добавит только 1,5 Гт углерода в атмосферу, и весь углерод атмосферы в количестве 4,5 Гт сможет быть поглощен не- возмущенной биотой океана и суши. Последний из сценариев бюджета с углеродным равновеси- ем вполне реалистичен и связан с восстановлением лесов и есте- ственной биосферы на половине освоенной человеком части суши. Параллельный вариант – это уменьшение сжигания ископаемого топлива и развитие других экологически чистых видов энергетики:

атомной, ветровой, солнечной, геотермальной, приливной [9].

В целом проблема нарушения углеродного цикла человеком связана с общей проблемой глобального экологического равновесия [20] или биотического саморегулирования [12]. Согласно

Прежде всего это связано с ростом населения в 5–7 раз (с 1

потребление первич- ной продукции биоты выросло в 16 раз, потребление пресной во- ды – в 11 раз, площадь, нарушенная хозяйственной деятельность на суше, – в 3 раза.

Согласно теории биотической регуляции и устойчивости окру- жающей среды, при превышении внешними возмущениями опре- деленного порогового уровня биота теряет способность стабили- зировать окружающую среду с помощью действия отрицательных обратных связей, и начинаются ее локальные и глобальные изме- нения. В соответствии с принципом Ле Шателье: «Внешнее воз- действие, выводящее систему из состояния равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздей- ствия», биосфера ведет себя как саморегулирующая система, спо- собная подавить всякие природные нарушения и восстановить не- кий внутренний баланс, но до определенного предела. По мнению В.Г. Горшкова, переход через этот порог произошел в XX в. Основ- ные положения концепции биотической регуляции окружающей среды состоят в следующем [13].

1.Нет среды без биоты. Пригодная для жизни человека окру- жающая среда создается и устойчиво поддерживается в оптималь- ном состоянии естественными, не нарушенными человеком эколо- гическими сообществами живых организмов (биотой). Естествен- ная биота компенсирует любые нарушения окружающей среды, не превосходящие порога разрушения самой биоты.

2.Эволюция для регуляции. Биотическая регуляция осущест- вляется путем функционирования («работы») живых организмов всех видов, входящих в экологическое сообщество. Стабилизирую- щий естественный отбор предотвращает распад генетической ин- формации, необходимой для такой работы. Эволюция происходит в направлении усиления регуляторного потенциала экологического сообщества.

3.Биота как компьютер. Величина потоков информации, об- рабатываемых естественной биотой в процессе управления окружа- ющей средой, на двадцать порядков превосходит величину потоков информации, которые могут быть обработаны современной циви- лизацией. Технологический аналог биотической регуляции невоз- можен.

4.Нарушенная биота. Освоение естественных экосистем в ходе хозяйственной деятельности человека разрушает механизм

биотической регуляции в локальных масштабах и непрерывно ос- лабляет его глобальную мощность. Нарушенные экосистемы и ис- кусственные биосистемы (поля, пастбища, эксплуатируемые леса) не способны поддерживать устойчивой окружающую среду. Нап- ротив, они действуют как мощные дестабилизаторы окружающей среды.

5.Биота и температура. Жизнь может существовать в темпе- ратурном интервале, соответствующем жидкому состоянию гидрос- феры. Жидкая гидросфера Земли физически неустойчива по отно- шению к переходу в состояние полного оледенения планеты или полного испарения океанов. В отсутствие биотического управления окружающая среда и климат Земли в течение короткого времени пе- рейдут в одно из этих двух устойчивых состояний, непригодных для жизни человека.

6.Биота и вода. Человек живет на суше. Пресная вода, необ- ходимая для всей жизни и жизни людей, реками непрерывно

превращается в пусты- ню, навсегда запертую от океанической влаги.

В соответствии с этими положениями, чтобы окружающая сре- да и климат оставались пригодными для жизни людей, необходи- мо восстановить естественные леса на большей части территории суши. Вместе с тем далеко не все ученые придерживаются этой кон- цепции, а считают, что окружающая среда обладает намного боль- шим запасом прочности. Доказательством этому являются глобаль- ные катастрофы, через которые прошла биосфера в своем развитии и сохранилась как организованный природный объект [8]. Так, по мнению Н.Н. Моисеева (1998), развитие биосферы Земли – это цепь катастроф с непредсказуемыми исходами, оно характеризуется крайней неустойчивостью, и только благодаря системе отрицатель- ных обратных связей параметры биосферы удерживаются в преде- лах, позволяющих сохраниться всему живому.

Ортодоксальное воплощение принципа Ле Шателье для биосфе- ры – это известная концепция Геи-Земли, предложенная английским химиком Джеймсом Лавлоком [28, 29] и американским микробиоло- гом Л. Маргулисом. Согласно Гея-гипотезе, сохранение длительной химической неравновесности атмосферы Земли

обусловлено сово- купностью жизненных процессов на Земле. С

термостатики, в котором избыток двуокиси азота в атмосфере играл регулирующую роль, препятствуя тенденции потепления, связанной с возрастанием приходящей солнечной радиации.

Суть Гея-гипотезы в том, что Земля является саморегулирую- щейся системой, созданной биотой и окружающей средой, способ- ной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддер- живать благоприятное для жизни постоянство климата. По Лавлоку, мы – обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью глобального гомеостаза, компенсирующего наруше- ния в пределах своей способности к саморегуляции. Когда подобная система попадает в состояние стресса, близкого к границам саморе- гуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к перехо- ду в новое стабильное состояние или даже полностью уничтожить. В то же время Гея превращает отбросы в необходимые элементы и, видимо, должна выжить, даже если в результате ядерной войны бу- дет уничтожено человечество. Эволюция биосферы, по Лавлоку, мо- жет быть процессом, который выходит за рамки полного понимания, контроля и даже участия человека. Подходя к Гея-гипотезе с биоло- гических позиций, Л. Маргулис полагала, что жизнь на Земле пред- ставляет собой сеть взаимозависимых связей, позволяющих планете действовать как саморегулирующаяся и самопроизводящая система. Лавлок сконструировал модель, в соответствии с которой при изменении потоков солнечной радиации растет разнообразие, веду- щее к возрастанию способности регулировать температуру поверх- ности планеты, а также к росту биомассы. Такая модель получила название «Мир маргариток» – одномерный мир, в котором темпе- ратура поверхности зависит только от поглощенной солнечной ра- диации. Отражательные свойства представлены маргаритками двух видов: черными и белыми, и каждый вид существует в своем диа- пазоне температур. При увеличении солнечной постоянной растет температура, и сначала прорастают и развиваются черные марга- ритки на экваторе, так как они лучше приспособлены к жизни в хо- лоде и полнее поглощают солнечный свет. Затем черные высыхают и замещаются белыми, и от экватора к полюсу вначале идут волны черных маргариток, а затем белых. При этом возрастает альбедо, радиационный баланс уменьшается и препятствует росту темпера-

туры (рис. 6.9).

Параметры модели подобраны таким образом, что увеличение солнечной постоянной компенсируется ростом альбедо за счет

Рис. 6.9. Изменения температуры поверхности планеты с изменением светимости Солнца (1,0 – нынешнее состояние) при наличии единственной морфы маргариток (а) и при двух, «светлой» и «темной», способных кондиционировать среду обитания (б) по [28]

компенсировать рост температуры уже невозможно и земля высыха- ет. Аналогично – и при уменьшении солнечной постоянной. Модель может усложняться: добавляются серые маргаритки, кролики, пита- ющиеся маргаритками, лисы, питающиеся кроликами и т.д.

Научное представление о Земле, как о целостной живой си- стеме, «макрокосме», живом суперорганизме, развивалось учены- ми-натуралистами и мыслителями начиная с XVIII в. и известных работ Дж. Геттона (1726–1797), Ж.Б. Ламарка (1744–1829), А. Гум- больдта (1769–1859). Поэтому не случайно эта животрепещущая проблема экологического равновесия настраивает не только на на- учные дискуссии, но и на стихи [28]:

«Мир маргариток – для экологов игра. Есть маргаритки черные, что поглощают

свет и делятся теплом наивно, свято, и белые, что отражают, не

согревшись. Есть в этом мире Солнце и Луна,

хотя последняя значенья не имеет, и воздух есть, ветра его и влага.

Ученые нашли, что можно жить

в полях из маргариток черных, белых, но трогать их и рвать – недопустимо.

Пусть вам не нравится тревожный белый цвет, но если оборвете их нещадно, настанет засуха, в которой все погибнет.

А если траурный вам неприятен цвет,

ивы лишь белые оставите цветочки, настанет холод, и опять же все погибнет. Мы думали, живем мы в мире сосен,

ив мире гор и городов, морей и марей, но суть баланса – в мире маргариток».

6.5. История изменения химического состава атмосферы

Возраст атмосферы принято приравнивать к возрасту самой планеты Земля – примерно 4,5 млрд лет [11, 21]. Согласно наиболее распространенной теории, атмосфера Земли на протяжении истории перебывала в трех различных составах. Первоначально она

вулканическая дея- тельность привела к насыщению атмосферы и

характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим – азота, кислорода и углекислого газа.

На первоначальном этапе своего формирования Земля была ра- зогрета до внушительных температур – около 9000 °С, и большин- ство газов, составляющих атмосферу, должны были бы покинуть ее. По мере постепенного охлаждения и затвердевания Земли газы,

допустить, что первичная атмосфера нашей планеты по составу была близка к составу метеоритных и вулканических газов. В какой-то мере первичная атмосфера была аналогична атмосфере