Биогеохимический круговорот углерода в биосфере и вмешательство в него человека.

Круговороты газообразных веществ Круговороты газообразных веществ, в кото-рых участвуют, например, углекислый газ, азот, кислород, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических (или тех и других) фондов достаточно быстро компенсируют возникающие нарушения. Например, избыток С0₂, обсуловленный интенсивным окислением, горением или промышленными выбросами в каком-либо районе, обычно быстро рассеивается с воздушными потоками. Кроме того, излишки С0₂ компенсируются усиленным фото­синтезом и превращением их в гидрокарбонаты в море: С0₂ + + Н₂0 + СаСО_э -> Са(НСО_э)₂. Таким образом, круговороты газо­образных веществ с большими резервными фондами имеют мощные буферные системы в глобальном масштабе и хорошо приспособ­лены к изменениям. Однако способность к саморегуляции даже при таком резервном фонде, как атмосфера и океан, конечно, не беспредельна.

Биогеохимические циклы углерода и азота - примеры кругово­ротов наиболее важных газообразных биогенных веществ.

Н Круговорот углерода. Сейчас запасы углерода в атмосфе­ре в виде С0₂ относительно невелики в сравнении с его запасами в океанах и земной коре (в виде ископаемого топлива).

Вспомним, как образовалась современная земная атмосфера с низким содержанием углекислого газа и высоким содержанием кислорода. Когда более 2 млрд лет назад появилась жизнь, атмосфера Земли, подобно современной атмосфере Юпитера и других планет, состояла из вулканических газов. В ней было много С0₂ и мало (или

■совсем не было) кислорода. Первые организмы были анаэробными, т. е. жили в отсутствие кислорода. В результате того что первичная продукция в среднем превышала расходы органических веществ на дыхание, в атмосфере стал появляться 0₂.

Накопление кислорода началось с докембрия, и к началу палеозоя его содержание в атмосфере не превышало 10 % от современного. В дальнейшем оно подвергалось значительным флуктуациям, но неуклонно росло. Предполагают, что в истории Земли были периоды, когда концентрация кислорода превышала современную. Сейчас наличный запас свободного кислорода оценивается приблизительно в 1,6-10¹⁵ т. Современные зеленые растения могут воссоздать такое количество за 10 000 лет. Накоплению кислорода, по-видимому, способствовали также геологические и физико-химические процессы: высво­бождение его из оксидов железа, восстановление кислородсодержащих соединений азота, расщепление воды ультрафиолетовыми лучами и др. Содержание же С0₂ до мелового периода в 6 - 10 раз превышало современный уровень, а затем неуклонно падало.

Циркуляция углерода в биосфере основана на поступлении С0₂ в атмосферу и его потреблении.

в современных условиях происходит в результате: 1) дыхания всех организмов; 2) минерализации органических веществ; 3) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород (имеют также биогенное происхождение); 4) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях (незначительная часть - до 0,01 %); и 5) сжигания топлива.

происходит главным образом: 1) в процессе фотосинтеза; 2) в реакциях его с карбонатами в океане; 3) при выветривании горных пород (рис. 4.4).

Низкое содержание С0₂ и высокие концентрации 0₂ в атмосфе­ре сейчас служат лимитирующими факторами для фотосинтеза, а зеленые растения являются регуляторами этих газов.

Таким образом, «зеленый пояс» Земли и карбонатная система океана поддерживают относительно постоянное содержание С0₂ в атмосфере.

Полагают, что до наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы.

проявилось в том, что с развитием индустрии и сельского хозяйства поступление С0₂ в атмосферу стало расти за счет антропогенных источников. Основная масса углерода находится в земной коре в связанном состоянии. Важнейшие минералы углерода - карбонаты, количество углерода в них оценивается в 9,610¹⁵ т. Разведанные запасы горючих ископаемых (угли, нефть, битумы, торф, сланцы, газы) содержат около 110¹³ т углерода.

Главной причине увеличения содержания СО₂ в атмосфе-это сжигание горючих ископаемых однако свой вклад вносят и транспорт и вырубка лесов.

Сельское хозяйство также приводит к потере углерода в почве, так как фиксация С0₂ из атмосферы агрокультурами в течение лишь части года не компенсирует полностью высвобождающийся из почвы углерод, который теряется при окислении гумушЛрезультат частой вспашки).

При уничтожении лесов содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается при непосредственном сжигании древе­сины, за счет снижения фотосинтеза и при окислении гумуса почвы (если на месте лесов распахивают поля или строят города). Леса - важные накопители углерода: в биомассе лесов приблизи­тельно в 1,5, а в лесном гумусе - в 4 раза больше углерода, чем

в атмосфере.

Современное изменение ландшафта человеком заметно повлия­ло на поток углерода из резервного фонда в обменный. Можно представить, какое огромное количество С0₂ выделится, если будет сожжена хотя бы половина фонда горючих ископаемых. Одновременное уменьшение поглотительной способности «зеленого пояса» может привести к сбою механизмов саморегуляции и природ­ного контроля. Содержание С0₂ в атмосфере уже сейчас начи­нает возрастать. В начале промышленной революции, примерно в 1 800 г., в атмосфере Земли содержалось около 290 частей С0₂ на миллион (0,029 %). В 1958 г. содержание С0₂ составляло 0,0315 %, а в 1980 г. выросло до 0,0335 %. Если содержание углекислого газа в атмосфере вдвое превысит доиндустриальный уровень (приблизится к 0,06 %), что может произойти в конце следующего столетия, то вероятно потепление климата на 1,5 -4,5 °С. Наряду с подъемом уровня моря (в этом веке он ужеподнялся примерно на 12 см) и перераспределением осадков, эти изменения могут привести к затоплению прибрежных районов. Так называемые проблемы С0₂ («парниковый эффект») должны учитываться при планировании национальной и международной энергетической и экономической политики. Правда, предполагают, что в следующем веке может установиться новое (но ненадежное) равновесие между увеличением количества С0₂ и запыленностью атмосферы частицами, отражающими тепловое излучение. Но любое результирующее изменение теплового бюджета Земли все равно повлияет на климат.

Кроме С0₂, в атмосфере присутствуют в небольших количест­вах еще два углеродных соединения: оксид углерода СО (около 0,1 млн¹) и метан СН₄ (около 1,6 млн¹). Как и С0₂, они находятся в быстром круговороте: время пребывания в атмосфере СО - около 0,1 года, для СН₄ - 3,6 года, а для С0₂ - 4 года. В естественных условиях СО и СН₄ образуются при неполном анаэробном разложении органических веществ и в атмосфере окисляются до С0₂. Количество СО, попадающего в атмосферу при сгорании топлива, особенно с выхлопными газами, равно его естественному поступлению.

Оксид углерода - смертельный яд для человека. В глобальном масштабе его количество не представляет угрозы, но в городах концентрация этого газа достигает 100 млн', т. е. в 1000 раз больше естественного содержания, и становится угрожающей, особенно в районах с сильным автомобильным движением. Для сравнения приведем такие данные: курильщик (пачка сигарет в день) получает столько СО, сколько он получил бы, дыша воздухом с содержанием СО 400 млн"¹. Это уменьшает содержание оксигемо-глобина в его крови на 3 % и приводит к анемии и другим

Заболеваниям, связанным с гипоксией (гр. hypo - низкое, ох/ - кислород): ишемической болезни, стенокардии, другим сердечно-сосудистым заболеваниям. Следовательно, вдыхание СО в насыщенных авто­транспортом городах сопоставимо с его количеством, поступающим в кровь при курении табака