Карбонат-гидрокарбонатная система и ее роль в массообмене углерода. Связь климата с поступлением углекислого газа из недр Земли в разные геологические эры

Современный глобальный биогеохимический цикл углерода состоит из двух крупных циклов более низкого ранга. Первый из них обусловлен 1) связыванием углекислого газа в органическое вещество путем фотосинтеза и 2) новым образованием СО2 в процессе трансформации первичного органического вещества организмами-гетеротрофами и почвенными микроорганизмами. Если бы этот цикл был полностью замкнутым, то количество поглощенного при фотосинтезе углекислого газа должно полностью возвращаться в исходный резервуар – атмосферу. В действительности этого не происходит.

Продуктивность растительности Мировой суши до ее нарушения человеком составляла 172,5·109 т/год сухого органического вещества, содержащего 46% углерода, т.е. около 80·109 т/год. В настоящее время продуктивность природной растительности, по-видимому, сократилась до 60·109т углерода. Продукцию фотосинтеза в океане определяют от 40·109 до (50 – 60) ·109 т/год Сорг.

Количество ежегодно разрушающегося органического вещества пока не поддается точному определению. Тем не менее можно утверждать, что из рассматриваемого цикла постоянно выводится значительное количество углерода в составе почвенного гумуса. На образование фульвокислот, гуминовых кислот и гумина расходуется около 2 – 3 % всего количества углерода, содержащегося в ежегодно отмирающих продуктах фотосинтеза на суше, т.е. около 1,5·109 т/год. Такое количество ежегодно выводится из глобального кругооборота углерода в настоящее время; до нарушения растительного покрова человеком эта величина была больше – вероятно около 2·109 т/год.

Масса углерода, связывающегося в наиболее устойчивых (гуминовых) компонентах почвенного гумуса, вероятно, в 2 – 3 раза меньше, порядка 0,5·109 т/год.

Таким образом, на протяжении тысячелетия за счет образования устойчивых гумусовых веществ в педосфере связывается масса углерода, соизмеримая с массой этого элемента в атмосфере.

Синтез и разрушение органического вещества в океане существенно отличаются от того, как протекают эти процессы на суше. Преобладающую часть фотосинтезированного органического вещества обеспечивает фитопланктон. Его сухая масса почти на три порядка меньше массы растительности Мировой суши, но годовая продукция имеет близкие значения. Это объясняется значительно более быстрыми жизненными циклами главных фотосинтетиков океана – планктонных организмов – по сравнению с наземными растениями.

Из соотношения биомассы растительности суши (2500·109 т) и ее продукции (172,5·109 т/год сухого органического вещества) следует, что полная замена массы растительности Мировой суши происходит за период около 15 лет. В океане ситуация иная. Оборот массы фитопланктона происходит за 1 – 2 сут, а обновление всей биомассы океана примерно за 1 мес. Продукция фотосинтеза в океане составляет от 20·109 до 100·109 т/год Сорг, и более, в среднем около (50–60) ·109 т/год. В силу того, что синтезированное планктоном органическое вещество практически полностью захватывается и разлагается последующими трофическими циклами, в осадок уходит не более 0,1·109 т/год, что соответствует около 0,05·109 т/год углерода. Таким образом, на протяжении года живое вещество суши и океана поглощает около 440·109 т СО2 или 120·109 т Сорг, большая часть которого вновь возвращается в океан и атмосферу.

Второй крупный биогеохимический цикл углерода связан с взаимодействием СО2 атмосферы и природных вод. Между газами тропосферы и поверхностным слоем океана существует подвижное равновесие.

Растворимость газов в воде зависит от давления, температуры, а также от количества растворенных солей. Увеличение растворимости происходит по мере роста парциального давления согласно зависимости Дальтона – Генри. В пресной воде газов растворяется больше, чем в соленой, но количество пресной воды на поверхности Земли неизмеримо меньше, чем соленой. Поэтому в глобальном балансе СО2 пресные воды играют скромную роль. Растворимость СО2 уменьшается с возрастанием температуры следующим образом:

Среднее содержание углекислого газа, растворенного в морской воде, принято равным 0,75 мл/л. Но углекислый газ в отличие от других газов вступает в химическое взаимодействие с водой. При этом образуется угольная кислота: СО2 + Н2О ↔ Н2СО3. Эта кислота двухосновная и диссоциирует ступенчато, образуя карбонат-гидрокарбонатную систему:

H2CO3=H+(HCO3)

(HCO3)=H+(CO3)

С учетом всех компонентов системы можно считать, что в 1 л океанической воды содержится в растворенном состоянии до 50 см3 СО2. В результате химического взаимодействия СО2 и Н2О в Мировом океане содержится огромное количество угольной кислоты.

Масса гидрокарбонат-иона в Мировом океане – 196·1012 т, в пересчете на СО2 – 141·1012 т. Это количество почти в 60 раз превышает массу углекислого газа, находящегося в атмосфере. Таким образом, океан является основным резервуаром СО2 на поверхности Земли.

Благодаря процессу растворения – выделения углекислого газа с поверхности океана и карбонат-гидрокарбонатной системе происходит массообмен СО2 между атмосферой и океаном.

Движение масс СО2 схематично можно представить следующим образом Углекислый газ активно растворяется в холодной воде приполярных районов океана. При охлаждении возрастает плотность воды. Массы холодной воды опускаются на глубину и в виде мощных холодных течений перемещаются к экватору. Они постепенно нагреваются, уменьшают плотность, поднимаются и освобождаются от избытка СО2.

Океан действует как грандиозный насос, забирая СО2 из атмосферы в холодных областях и отдавая ее в тропических областях.

На массообмен СО2 между поверхностным слоем океана и тропосферой весьма активно влияют планктон, освещенность, сезонно-термические условия.

Американский геохимик Б.Болин (1979) на основании определения скорости уменьшения содержания радиоактивного изотопа 14С после крупных испытаний ядерного оружия в атмосфере в 1963 г. пришел к заключению, что в цикл растворения – выделения СО2 с поверхности Мирового океана вовлекается примерно 100·109 т/год СО2 или около 30·109 т/год.

Определенный вклад в массообмен углерода между атмосферой и океаном вносит захват гидрокарбонатов ветром с брызгами волн и возвращение их в океан с атмосферными осадками. Концентрация [НСО3]– в атмосферных осадках над океаном составляет 0,33 мг/л. С атмосферными осадками выпадает 0,136·109 т/год [НСО3]–. В этой массе содержится 0,027·109 т Ск. При этом на сушу ежегодно переносится с воздушными массами океанического происхождения около 0,015·109 т [НСО3]–, в том числе 0,003·109 т С.

Средняя концентрация [НСО3]– в атмосферных осадках над Мировой сушей около 10 мг/л. В круговороте воды над сушей участвует 6,9·109 т [НСО3]–, т.е. 0,14·109 т С. Дотация за счет переноса гидрокарбонатов воздушными массами с океана существенного значения не имеет.

Сложную проблему представляет оценка масс Ск и Сорг, ежегодно выбывающих из биогеохимических циклов в океане. Полная карбонат-гидрокарбонатная система включает образование карбоната кальция:

Процесс связывания углерода в составе карбонатов так же, как связывание его в составе органического вещества, обусловлен жизнедеятельностью организмов, но осуществляется иным биохимическим механизмом. Образование карбонатных отложений в значительной мере обусловлено поступлением ионов Са2+ с речным стоком. Вынос ионов Са2+ составляет нескольким более 0,53·109 т/год. Это количество может обеспечить вывод в осадок 1,33·109 т/год СаСО3 что соответствует выведению из карбонат-гидрокарбонатной системы 0,57·109 т СО2 или 0,16·109 т С. Количество выносимого магния (135·106 т/год) дополнительно может связать 68·106 т/год С. Общее количество углерода, ежегодно связываемого в составе карбонатов, составляет около 0,2·109 т.

Согласно соотношению масс карбонатного углерода и углерода органического вещества, осаждение карбонатов 1,5 млрд лет назад сильно преобладало над захоронением органического вещества (отношение масс Ск : Сорг = 18). С течением времени относительное содержание масс Соргвозрастало. В толще морских отложений кайнозойского возраста отношение Ск : Сорг уменьшилось до 2,5 и даже до 1,4. Если такое соотношение сохраняется в настоящее время, то масса углерода органического вещества, поступающего в осадки пелагиали Мирового океана, может быть равна 0,06 – 0,11, в среднем 0,08 ·109 т/год. В неогене скорость выведения углерода в морские осадки колебалась от 0,020 ·109 до 0,085 ·109 т/год Ск и от 0,014 ·109до 0,020 ·109 т/год Сорг.

Важную роль в глобальном массообмене углерода играет водный сток с Мировой суши. Поступление [НСО3]– с водным стоком с континентов составляет 2,4·109 т/год, т.е. 0,47·109 т/год углерода. Кроме того, в речной воде содержится растворенное органическое вещество. Средняя концентрация этого углерода равна 6,9 мг/л, а годовой вынос – 0,28·109 т/год. Средняя концентрация углерода взвешенных частиц нерастворимого органического вещества в речном стоке равна 5 мг/л, вынос – около 0,2·109 т/год. Преобладающая часть этой массы не достигает открытого океана и уходит в осадки на шельфе, в дельтах и эстуариях рек. Можно предполагать, что ежегодно с поверхности Мировой суши выносится 0,5·109 т/год Ск и близкое количество Сорг.

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 можно сделать вывод, что в гранитном слое земной коры содержится углерода (т): 4,1·1015 в составе органических соединений и 18·1015 в 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) обнаружил, 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. 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.

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.

Некоторые ученые 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.

Вопрос 42