Круговорот углерода в природе

Углерод – важнейший элемент нашей планеты, хотя его на Земле в 49 раз меньше, чем кислорода, и в 26 раз меньше, чем кремния. В таблице распространенности элементов он занимает 15-е место
(в процентах от массы земной коры). Значение углерода в природе, однако, зависит не столько от количества его атомов, находящихся в различных геосферах, сколько от свойств самого атома элемента и его участия в геохимических реакциях.

На рисунке (см. с. 2) изображены главнейшие циклы превращения углерода в природе, происходящие в атмо-, био-, гидро- и литосфере. В рисунке находит отражение и факт активного вмешательства в этот процесс человека с его могучей техникой. Стрелками, направленными в разные стороны, условно указаны пути поступления углерода в атмосферу и обратные пути его поглощения из атмосферы. Рассмотрим эти пути.

Рис. Круговорот углерода (в млрд т)

Углерод – важнейшая составная часть живых организмов. С его превращением связан такой важный жизненный процесс, как ассимиляция – поглощение растением из атмосферы оксида углерода (СО₂) и последующее образование углеводов, белков и других органических веществ. Этот процесс осуществляется за счет энергии солнечных лучей (с помощью хлорофилла зеленых растений) и ведет к ее накоплению в растениях в виде энергии химических связей.

В настоящий период развития жизни на Земле зеленые растения связывают ежегодно громадное количество углерода – около 1,5•10¹¹ т. Некоторые ученые считают, что до появления растительной жизни на Земле в земной атмосфере было неизмеримо больше углекислого газа, чем теперь, а свободного кислорода даже не было, т.к. он весь уходил на окислительные процессы.

Процесс фотосинтеза – это практически единственный путь образования органических веществ на Земле. В результате этого процесса растения Земли из углекислого газа, воды, минерализованных соединений азота, серы и других элементов образуют огромные количества органических веществ – около 450 млрд т в год. Расчеты показывают, что на одного жителя Земли это составляет около 180 т в год.

Из сказанного нетрудно понять, что фотосинтез – это первоисточник пищевых продуктов для человека и животных. Поэтому возникает необходимость постоянной заботы о всемерном расширении площадей для наиболее ценных пищевых и кормовых растений и увеличения их урожайности. Наши ученые рассчитали, что за счет возможного расширения посевных площадей под культуры сельскохозяйственных растений и увеличения их урожайности продукты фотосинтеза (а значит, и пищевые ресурсы) могут быть увеличены примерно в 20–30 раз.

Растениями питаются животные, в результате чего углерод идет на построение тела животных. Окисляясь при дыхании животных и растений, углерод снова выделяется в атмосферу. Горение, тление животных и растительных остатков также ведет к возвращению углерода в виде СО₂ в атмосферу. К такому же результату приводят и процессы брожения.

Содержание углекислого газа в атмосфере относительно небольшое, всего 0,03% (по объему). Общее содержание его в атмосфере доходит до 6,4•10¹¹ т. Однако количество углекислого газа, поглощаемого растениями, в десятки раз превышает его количество в земной атмосфере. По
В.И.Вернадскому углерод, претерпевая различные превращения, много раз в течение одного года поглощается живым веществом и снова выделяется из него.

Но возврат углекислого газа в атмосферу является неполным. Значительная часть углерода, поглощенного живым веществом из атмосферы, не возвращается в нее или возвращается только через долгие геологические периоды, иногда через сотни миллионов лет. Главные пути потери углерода для данного цикла – это образование органических минералов и карбонатов щелочных и щелочноземельных металлов – Nа₂СО₃, K₂СО₃, СаСО₃, МgСО₃ и др. Образовавшиеся продукты рассеиваются в земной коре, но иногда дают скопления углерода в виде каменных углей, горючих сланцев, нефти, ископаемых смол, известняков, доломитов, мергелей и других минералов и горных пород.

Вмешательство человека частично возвращает в атмосферу этот «ископаемый углерод»: при сжигании угля, горючих сланцев, нефти и т. п. на фабриках, заводах, в паровых двигателях и двигателях внутреннего сгорания он снова возвращается в атмосферу, главным образом в виде СО₂ и реже в виде СО.

Большие скопления углерода, выходящего из жизненного цикла, образовались в прежние геологические эпохи и образуются в настоящее время при наличии соответствующих условий в водной среде. Здесь осаждаются продукты, из которых образуются угли, нефти, битумы, сапропелиты. К последним относятся породы, образовавшиеся из сапропеля – гнилостного ила из микроскопических растений, трупов и отходов водных животных (горючие сланцы, богхед и некоторые другие сорта угля). При жизнедеятельности простейших, кораллов, моллюсков и других животных очень много углерода связывается путем образования карбонатов. В течение геологического времени эти процессы привели к осаждению огромного количества карбонатов, содержащих углерод в несколько сот раз больше, чем все его количество в атмосфере, океане, живом веществе, каменном угле и нефти (в запасах, технически доступных человеку).

Вмешательство человека и здесь приводит к образованию свободного углекислого газа: из карбонатов при получении извести и производстве цементов, при технологических процессах, основанных на брожении, например при хлебопечении, виноделии, пивоварении и т.п.

Несомненно, что с развитием техники количество СО₂, возвращаемого в атмосферу, прогрессивно увеличивается и принимает такие размеры, что их уже нельзя не учитывать при изучении геохимических процессов. По Кларку, еще с 1919 г., при сжигании только одного каменного угля человек возвращает в атмосферу свыше 1 млрд т СО₂, что составляет уже около 0,05% всей массы этого газа в атмосфере (2200 млрд т). Таким образом, человек с его мощной современной техникой стал новым значительным геохимическим фактором.

Приводит ли эта деятельность человека к увеличению количества СО₂ в атмосфере, а вследствие этого и к изменению климата Земли в сторону его потепления? Вопрос этот еще не выяснен. Дело в том, что культурная деятельность человека ведет и к обратному процессу – увеличению площади, занятой под посевы культурных растений, что приводит к дополнительному поглощению углекислого газа из атмосферы. Академик В.И.Вернадский говорил, что, может быть, здесь «выдерживается среднее динамическое равновесие, столь характерное для явлений в биосфере».

В огромных количествах углерод содержится в газах (в виде СО₂, СО и СН₄), выделяющихся из вулканов во время извержений. Вычислено, что только один действующий вулкан Котопахи в Эквадоре в течение года выделяет свыше 10 млн т СО₂. В прежние геологические периоды, когда вулканическая деятельность была более активной, в атмосферу выделялось очень большое количество углекислого газа. Газы некоторых вулканов почти целиком (до 97%) состоят из СО₂. Если в составе газов действующих вулканов находится оксид углерода(II) вместе с другими горючими газами (Н₂, СН₄, S₂ и др.), то при соединении с кислородом эти газы воспламеняются, и из кратера начинает выбрасываться настоящее пламя. При этой реакции воспламенения из оксида углерода(II) и кислорода образуется СО₂. В большом количестве выделяется углекислый газ из земли в областях затухающей вулканической деятельности (углекислые источники, термы, земные трещины и т.п.).

Близ Неаполя в Италии среди местных жителей и путешественников пользуется известностью так называемая «Собачья пещера». Человек, попадающий в нее, чувствует себя нормально, а собака задыхается. В чем же здесь загадка? Оказывается, что в пещере из земли выделяется углекислый газ. При отсутствии вентиляции он, будучи тяжелее воздуха, скапливается слоем толщиной около полуметра у поверхности земли, достигая концентрации 14%. Такое насыщение воздуха углекислым газом смертельно для всех животных. Задохнулся бы в такой атмосфере и человек, если бы он вздумал отдохнуть, лежа на земле.

Таких мест на земле очень много. Наибольшей известностью пользуется глубокая темная долина, образовавшаяся из кратера потухшего вулкана, – «Долина смерти» на острове Ява, в которой даже такие крупные животные, как кабаны и тигры, погибают от удушья. «Пасть смерти» в Западной Америке – другой образчик такой ловушки.

В каменноугольных копях и нефтяных месторождениях углерод выделяется главным образом в виде метана СН₄ (рудничный газ), являясь иногда причиной ужасных катастроф. Много метана выделяется из болот (болотный газ), где он образуется при гниении растений. Если растормошить палкой тину на дне болота, метан будет выделяться в виде пузырей. При замерзании болот скопления метана иногда образуются подо льдом. Если пробить отверстие во льду над таким пузырем и поднести к нему спичку, газ будет гореть в виде факела. Такой «опыт» прекрасно описан в книге А.Н.Толстого «Детство Никиты».

«...Никита и Мишка Коряшонок пошли на деревню через сад и пруд короткой дорогой. На пруду, где ветром сдуло снег со льда, Мишка на минутку задержался, вынул перочинный ножик и коробку спичек, присел и, шмыгая носом, стал долбить синий лед в том месте, где в нем был внутри белый пузырь. Эта штука называлась “кошкой” – со дна пруда поднимались болотные газы и вмерзали в лед пузырями. Продолбив лед, Мишка зажег спичку и поднес к скважине – “кошка” вспыхнула, и надо льдом поднялся желтоватый бесшумный язык пламени.

– Смотри, никому про это не говори, – сказал Мишка, – мы на той неделе на нижний пруд пойдем “кошки” поджигать, я там одну знаю – огромаднейшая, целый день будет гореть».

Все описанные выше процессы должны были в конечном итоге привести к значительному накоплению в атмосфере углерода в виде углекислого газа (т.к. СО и СН₄ постепенно окисляются в СО₂). Но в природе есть мощный регулятор количества СО₂ в атмосфере – масса воды морей и океанов. Вода выделяет углекислый газ в воздух, когда упругость находящегося в воздухе углекислого газа уменьшается, и поглощает его обратно, если упругость паров увеличивается.

Такая закономерность имеет огромное значение в химии земной коры. Роль этого фактора станет еще более понятной, если принять во внимание, что общая площадь океанов, морей и пресноводных бассейнов почти в 10 раз превышает площадь, занятую растительностью суши.

Углекислый газ поступает в водоемы вместе с дождем или непосредственно растворяется в поверхностных водах. Воды океана всегда содержат растворимые бикарбонаты и газообразный углекислый газ. Стоит заметить, что морская вода является слабо щелочной – факт, имеющий огромное значение для жизни водных организмов.

В итоге можно отметить следующие пути поступления углерода в атмосферу: при вулканических выделениях; из углекислых источников; в виде природных газов в каменноугольных шахтах, нефтяных месторождениях и т.п.; из вод океанов, морей и пресноводных бассейнов; при дыхании животных и растений, при химических процессах, проходящих после их смерти; при процессах брожения; при горении, обжиге карбонатов.

Поглощение углерода из атмосферы происходит: при процессах ассимиляции и образовании соединений углерода, устойчивых в пределах тела организмов при их жизни; при процессах превращения продуктов жизнедеятельности животных в минералы, содержащие углерод; при поглощении углекислого газа водой океанов, морей, рек и т.п.

Перечисленным далеко не исчерпываются пути перемещения (миграции) углерода. Одним из источников углекислого газа в атмосфере является, например, космический углерод: при сгорании угольных метеоритов непрерывно увеличивается количество СО₂ в земной атмосфере. Углекислый газ может также синтезироваться в глубинных пространствах Земли (так называемый ювенильный СО₂). Если, например, поверхностные воды, содержащие кислоты, проникают до карбонатных пород, то в результате их взаимодействия будет выделяться углекислый газ. Термическое разложение карбонатов (известняков, мела, мрамора) в недрах Земли также ведет к образованию углекислого газа. Связывание углерода происходит при выветривании минералов, содержащих кремний и алюминий (силикатов и алюмосиликатов): при этом процессе углерод замещает в минералах кремний.

Все это приводит нас к выводу, что природу нужно рассматривать не как случайное скопление предметов и явлений, оторванных друг от друга, а как единое целое, где предметы и явления органически связаны друг с другом, зависят друг от друга и обусловливают друг друга.

Материал подготовил П.А.КОШЕЛЬ