Круговорот углерода

Сложная система круговорота воды в гидросфере создала глобальный планетарный механизм непрерывного перемещения веществ за счет эрозии от наивысших уровней ландшафтов к уровню моря и далее в океан и другие водоемы. В этом разнородном процессе круговорота воды участвуют не только горные породы и органические элементы, но и различные растворенные и газообразные вещества, в том числе и углерод в форме углекислого газа (СО2).

Пожалуй, круговороты двуокиси углерода (СО2) и воды представляют собой самые важные для человечества глобальные биогеохимические процессы циркуляции веществ. Сейчас во всех системах экологического мониторинга развитых стран создана сеть измерительных станций для определения существенных изменений в круговоротах СО2 и N2О, от которых во многом зависит будущее Земной цивилизации. Важнейшей задачей специалистов нашего времени является решение проблемы полного контроля всех основных путей движения воды и СО2 в круговороте.

В процессе биохимического круговорота в доиндустриальный период в воде происходило поглощение СО2 первичными живыми организмами (бактериями, цианобактериями, сине-зелеными водорослями), в которых благодаря солнечной энергии обеспечивалась реакция соединения углекислого газа и воды с выделением кислорода: СО2+Н2О=СН2О+О2.

За последние сто лет содержание СО2 постоянно увеличивается за счет антропогенных загрязнений среды, связанных с развитием сельского хозяйства, промышленности, интенсивного сжигания горючих ископаемых, сведения лесов и т.д. (рис.2.5 - новые антропогенные, связанные с деятельностью человека, поступления показаны штриховой линией).

Рис.2.5. Круговорот двуокиси углерода (CO2)

Постоянно возрастающее потребление горючих ископаемых, с одной стороны, и уменьшение поглотительной способности - с другой, ведет к постепенному возрастанию содержания СО2 в атмосфере. Динамика увеличения содержания СО2 свидетельствует о возможных изменениях климата Земли.

Примерно в 1800 г. в атмосфере планеты содержалось около 290 частей СО2 на миллион (0,29%); после точных измерений, проведенных в 1958г, содержание СО2 составило 315, а в 1980 - 335 частей на миллион. В случае увеличения вдвое содержания СО2 по сравнению с доиндустриальным уровнем можно ожидать потепление климата Земли, температура в среднем повысится на 1,5-4,50С, и это, наряду с подъемом уровня моря (в прошлом веке он поднялся примерно на 12 см) и изменением распределения осадков, может погубить сельское хозяйство.

В круговороте необходимых для сохранения жизни элементов и неорганических соединений СО2 отличается летучестью и хорошей растворимостью. Благодаря этим качествам даже небольшая концентрация углерода в атмосфере не лимитирует развитие жизни. Но есть лимитирующие жизнь элементы: фосфор, азот, калий - на суше, а в воде, дополнительно, и кремний. Поэтому круговорот воды в биогеохимическом цикле, содержащем важные для жизни элементы, лимитирует развитие жизни. В случае резкого снижения оборотов указанных элементов в воде (или замедление этого процесса) по тем или иным причинам наступает биологическая катастрофа, влекущая за собой гибель огромного количества живых организмов от фитопланктона до крупных морских рыб, животных и птиц.

Помимо СО2, в атмосфере присутствует еще два углеродных соединения: окись углерода СО - около 0,1 части на миллион и метан CH4 - 1,6 части на миллион. Оба эти вещества, СО и СН4, образуются при неполном разложении органических веществ, а в атмосфере оба окисляются до СО2. Накопление смертельного яда СО2 для человека в атмосфере городов с интенсивным автомобильным движением становится все более угрожающим. Опасная для здоровья человека концентрация СО2, до 100 частей на миллион, становится частой в районах с большим движением автотранспорта.

Невредно напомнить, что курильщик, потребляющий пачку сигарет в день, получает до 400 частей на миллион, вследствие чего содержание оксигемоглобина в его крови уменьшается на 3%, а это приводит к болезням, связанным с нехваткой кислорода: анемии и тяжелым заболеваниям сердечно-сосудистой системы.

Углекислый газ СО2 обладает свойствами летучести и легкой растворимости, особенно в морской воде. Эти качества позволили СО2 так же, как и воде, иметь свой круговорот непосредственно между атмосферой и гидросферой. В таком глобальном круговороте СО2 атмосферная часть его незначительна в сравнении с количеством углерода, содержащегося в океанах, в ископаемом топливе и других хранилищах природы. По причине антропогенных выбросов (сжигание горючих ископаемых, поступление от сельского хозяйства и сведения лесов) в текущем столетии содержание СО2 постоянно растет.

Существует много различных мнений о причинах обогащения атмосферы углекислым газом. Сюда входят процессы фиксации СО2 сельскохозяйственными культурами, которые не возмещают количество высвобожденного углекислого газа, и сжигание горючих и другие явления антропогенного характера. Но с тем, что леса - важные накопители углерода, ибо в биомассе "зеленых легких" планеты содержится в 1,5 раза, а в гумусе в 4 раза больше углерода, согласны все. Полагают, что более 2 млрд. лет назад, когда на Земле появилась жизнь, в атмосфере было много СО2 и очень мало О2. За геологическое время в атмосфере постепенно увеличилось содержание кислорода и уменьшилось количество СО2 , чему способствовали геологические и химические процессы.

Вечная космическая "солнечная энергия" непрерывно и бесконечно перекачивает воду из Мирового океана. В этом удивительно отлаженном природой процессе - круговороте воды в гидросфере - активным участником становится жизнь. В свою очередь, жизнь в биосфере, используя воду океана и солнечную энергию, создала свой круговорот: Великий цикл, включающий в себя построение и развитие живого органического вещества, которое в дальнейшем будет разложено на простые составляющие, участвующие в вечном круговороте.

После того как живые существа погибают, грибы и микробы разлагают их на простые вещества, в частности воду и углекислый газ. Так осуществляется круговорот углерода, при котором за несколько лет (6-7 лет) весь углерод, содержащийся в атмосфере, транспортируется сквозь биосферу. Таким образом, такое глобальное свойство гидросферы, как ее круговорот, необходимо для получения в природе углерода и других важных для жизни элементов.

Фундаментальный характер взаимосвязи живого вещества с геологическими процессами в биосфере (в соответствии с теорией биологического единства) В.И.Вернадский выразил в следующей чрезвычайно важной мысли: Земная оболочка, биосфера, обнимающая весь Земной шар, имеет резко обособленные размеры, в значительной мере они обуславливаются существованием в ней живого вещества - она им населена. Между ее косной "безжизненной" частью и живым веществом, ее населяющим, идет непрерывный материальный и энергетический обмен, материально выражающийся в движении атомов, вызванном живым веществом. Этот обмен в ходе времени выражается закономерно меняющимся, непрерывно стремящимся к устойчивости равновесием. Оно пронизывает всю биосферу, и этот биогенный ток атомов в значительной степени ее создает. Так неотделимо и неразрывно биосфера на всем протяжении геологического времени связана с живым, заселяющим ее веществом. В этом биогенном токе атомов и связанной с ним энергией проявляется планетарное, космическое значение живого вещества. Рассматривая единство биологических и геологических процессов, В.И.Вернадский ставит вопрос о путях появления живого вещества и дальнейшей эволюции планетарной среды в качестве атмосферы и литосферы.

Очевидно, что "живое вещество" в процессе эволюции "вжилось" в гидросферу, стало ее составляющей, активно участвующей в глобальном круговороте. Жидкая среда живого организма, в частности гидросфера человека, - одно из звеньев этой составляющей.