Миграция масс углерода в биосфере

 

Процессы массообмена	Масса, 10^9 т/год
Мировая суша
Биологический круговорот (фотосинтез — деструкция органического вещества): до нарушения растительности человеком в настоящее время
Связывание в стабильных формах гумуса	0,5
Массообмен между сушей и тропосферой ионов [НСОз]^-: поступление в тропосферу вымывание с осадками из тропосферы	0,136 0,139
Вынос с речным стоком: растворенные неорганические ионы растворенное органическое вещество взвешенное органическое вещество	0,47 0,28 0,20
Перенос ионов [НСО3]~ с воздушными массами морского происхождения на сушу	0,003
Океан
Круговорот фотосинтетиков планктона Растворение СО2 океаном Выделение СО2 океаном Удаление в осадки Сорг Удаление в осадки Ск	0,08 0,16

Образование карбонатов, так же как аккумуляция органического вещества, не ограничено океаном, но происходит и на суше. Масса карбонатов, ежегодно образующихся в почвах аридных ландшафтов, достаточно велика, хотя она пока не поддается даже ориентировочной количественной оценке.

Глобальная динамика масс углерода в биосфере определяется двумя крупными циклами массообмена. Первый из них обеспечивается ассимиляцией СО₂ и разложением Н₂О путем фотосинтеза органического вещества и его последующего разложения с образованием СО₂. Второй цикл обусловлен процессом поглощения-выделения углекислого газа природными водами при химическом взаимодействии СО₂ с Н₂О и образованием карбонат-гидрокарбонатной системы. Оба цикла неразрывно связаны деятельностью живого вещества. Живое вещество биосферы, глобальный круговорот воды и карбонат-гидрокарбонатная система регулируют циклический массообмен углерода между атмосферой, сушей и океаном.

Характерной чертой двух главных циклов массообмена является их незамкнутость и выведение из циклов некоторого количества углерода в форме неживого органического вещества и карбонатов. Непрерывный вывод углерода из глобального цикла и захоронение его в осадках морей имеет кардинальное значение для развития биосферы. На основании тщательных расчетов А. Б. Ро-нова и А. А. Ярошевского (1976) можно сделать вывод, что в гранитном слое земной коры содержится углерода (от): 4,1×10¹⁵ в составе органических соединений и 18×10¹⁵в форме карбонатов, всего 22,1×10¹⁵. Это количество примерно в 4 раза меньше, чем в осадочной оболочке. Следовательно, углерод в биосферу не мог поступить в результате гипергенного преобразования пород гранитного слоя литосферы. Резервуаром, откуда на протяжении почти 4 млрд лет черпался углерод, служит атмосфера. В то же время содержание этого элемента в форме углекислого газа в атмосфере весьма ограничено. Непрекращающееся выведение углерода из атмосферы могло бы обусловить его постепенное убывание в ней и сокращение массы живого вещества, а затем и полное прекращение жизни на нашей планете. В действительности этого нет, так как углекислый газ постоянно поступает на поверхность планеты из недр Земли в составе вулканических газов.

А. Б. Ронов (1976) определил объемы всех типов осадочных горных пород, образованных на протяжении фанерозоя, и рассчитал количество углерода, содержащегося в карбонатных породах и рассеянном органическом веществе. Одновременно он установил объем вулканических лав, которые изливались в периоды, когда отлагались осадки. Было обнаружено, что массы углерода, связанного в карбонатных толщах, и углерода, содержащегося в рассеянном органическом веществе древних пород, изменяются согласно с колебаниями величин объемов вулканических пород. В те эпохи, когда происходили бурные извержения вулканов и изливалось огромное количество лавы, отлагалось особенно много карбонатных пород и рассеянного органического вещества (рис. 7.1). Очевидно, объем лав отражает интенсивность выноса вулканических газов. На протяжении 570 млн лет в осадочных отложениях было погребено 71 300×10¹² т углерода, связанного в составе карбонатов, и 9100×10¹² т — в рассеянном органическом веществе. Приведенные данные показывают, что, с одной стороны, существование и развитие жизни неожиданно связаны с процессом дегазации мантии и поступлением углекислого газа из недр Земли. С другой стороны, создание биосферы, поддержание ее функционирования обусловлены геохимической деятельностью живого вещества. Если бы живые организмы не обеспечивали геохимический цикл углерода, поддерживающий невысокую концентрацию СО₂ в атмосфере, то захороненное количество углерода находилось бы в виде углекислого газа в атмосфере в десятки тысяч раз больше, чем сейчас. Это имело бы самые серьезные последствия из-за так называемого парникового эффекта.

Абсолютное время, млн лет

 

Рис. 7.1. Изменение во времени массы вулканических пород, суммарной массы СО₂ карбонатных пород и массы органического углерода С_орг, погребенного в осадочных толщах континентов (по А. Б.Ронову, 1976)

 

Как известно, молекулы СО₂ в атмосфере поглощают инфракрасное (тепловое) излучение Земли и излучают поток энергии к земной поверхности. Столь значительное повышение содержания углекислого газа могло вызвать очень сильное повышение температуры и разогревание поверхности планеты вплоть до испарения Мирового океана.

Усиление притока углекислого газа в периоды активного вулканизма, по-видимому, сопровождалось общим потеплением климата, уменьшением контрастности температур высоких и низких широт. Возможно, что широкое распространение характерных для тропических ландшафтов красноцветных продуктов выветривания в неогене и затем их полное исчезновение на внетропической территории в плейстоцене обусловлено уменьшением поступления вулканического СО₂ в связи с окончанием альпийского тектоне-геза.

Некоторые ученые (Добродеев О. П. и др., 1976) предполагают, что смена ледниковых и межледниковых периодов в плейстоцене обусловлена колебаниями содержания углекислого газа в атмосфере. Можно допустить, что распространение материкового льда и сильное сокращение площади лесной растительности с характерной для нее высокой биомассой способствовали повышению углекислоты в воздухе и относительному потеплению. Вызванное этим сокращение ледников и распространение лесов сопровождалось изъятием СО₂ из атмосферы и связыванием его в биомассе и органическом веществе педосферы, что, в свою очередь, вызывало постепенное похолодание и появление очередного материкового оледенения, за которым следовало сокращение площади лесов и повторение всего цикла.

Все рассмотренные изменения в циклическом массообмене углерода могли происходить естественным путем, без влияния хозяйственной деятельности человека. Определенные изменения в структуре глобального массообмена углерода вносит хозяйственная деятельность человечества. В результате распахивания земель, строительства городов и дорог, вырубки лесов биомасса растительности суши сократилась примерно на 25%. Соответственно изменились массы химических элементов, участвующие в биологическом круговороте, масса связываемого углерода и выделяемого кислорода. Еще больший деструктивный эффект вызывает сжигание минерального топлива, сопровождающееся изъятием значительных масс кислорода из атмосферы и образованием газообразных соединений углерода. Среди этих соединений преобладают СО и СО₂. Суммарное поступление углерода из техногенных источников в атмосферу оценивается в 5×10⁹ т/год. Поступление указанного количества в глобальный круговорот углерода не деформирует распределение масс элемента в биосфере, но может иметь последствия в связи с упомянутым ранее парниковым эффектом.

В заключение отметим, что сжигание более 90 % горючих веществ происходит в Северном полушарии, что отражается на неравномерном распределении оксида углерода. Максимальные концентрации СО₂ приурочены к полосе между 40 и 50° с.ш., где расположены главные центры индустрии.

Влияние живого вещества на