5.7. Цикл углерода

5.7.1. Основные процессы цикла углерода

Углерод относится к числу элементов, поступающих в биосферу в результате дегазации мантии. В его цикле существенное значение имеют атмосферная и водная миграция. Потоки и резервуары цикла пересматриваются и уточняются, поэтому приводимые значения являются ориентировочными.

В земной коре количество углерода оценивается в 128·10¹⁵ т. Средняя концентрация карбонатного углерода на порядок превышает концентрацию органического углерода; в осадочной толще (составляющей 1/10 от массы земной коры) сосредоточено 75% массы органического и неорганического углерода. Основная масса органического углерода (С_орг) представлена рассеянным органическим веществом, а концентрированные скопления в виде залежей каменного угля, нефти и газа имеют подчиненное значение. В месторождения нефти содержится 0,2·10¹² т С, в месторождениях каменного угля – 6·10¹² т С, что в сумме на три порядка меньше количества рассеянного органического вещества. Биота континентов содержит (560…830)·10⁹ т С, неживое органическое вещество – 90·10⁹ т С, гумус почв – (1600…2900)·10⁹ т С.

В атмосфере содержится 750·10⁹ т С преимущественно в виде углекислого газа. В гидросфере количество углерода оценивается в 40450·10⁹ т. Пресные воды континентов содержат 450·10⁹ т С. Биота океанов содержит 1,4·10⁹ т С, органический углерод океанов – 1000·10⁹ т С, неорганический углерод океанов – 39000·10⁹ т С (из них 34000 ·10⁹ т С приходится на углерод в составе растворенного СО₂). В океане углерод распределен неравномерно: в верхних слоях (до 100м), где активно идет фотосинтез, фитопланктон активно захватывает растворенный СО₂, и его количество составляет 580·10⁹ т С; нижние слои воды содержат 33 420·10⁹ т С.

Глобальный цикл углерода можно разделить на два цикла низшего ранга. Первый цикл включает в себя потребление СО₂ при фотосинтезе (прямая реакция) и выделение СО₂ при деструкции органического вещества (обратная реакция):

СО₂ + Н₂О ↔ [СН₂О] + О₂.

Растения на суше связывают атмосферный СО₂ и вовлекают его в состав С_орг; первичная продукция составляет 48∙10¹⁵ г С_орг в год. Морские организмы связывают 51∙10¹⁵ г С в год (следует отметить, что скорость процесса в воде гораздо выше, поскольку биомасса наземных организмов составляет 560∙10¹⁵ гС, а океанских 1,8∙10¹⁵ гС).

Часть органического углерода суши на начальных стадиях разложения поступает в океан с речным стоком. В результате окисления отмерших остатков организмов суши и моря высвобождается примерно такое же количество СО₂, какое было связано при фотосинтезе. Однако это цикл замкнут не полностью. На суше и в океане происходи захоронение части С_орг (в составе почвенного гумуса, донных отложений) предположительно в количестве 0,02∙10⁹ т С в год.

Интересно отметить, что причины замедления разложения С_орг, обеспечивающие выход его части из цикла, на суше и в воде различаются. На суше С_орг в форме гумуса (в почве) и керогена (в горных породах) не подвергается биохимическому разложению, поскольку эти вещества уже прошли многие стадии разложения микроорганизмами и в результате представляют собой трудноразлагаемые соединения. Океанский С_орг не разлагается по другой причине – он образован легко биохимически окисляющимися соединениями, но его концентрация невелика, так что для микроорганизмам энергетически невыгодно ориентироваться на такой доступный, но небольшой источник углерода.

Второй цикл представляет собой газообмен между атмосферой и океаном. Растворение СО₂ в воде приводит к образованию гидрокарбонат-ионов:

СО₂ + Н₂О ↔ [ Н₂ СО₃ ] ↔ Н⁺ + H СО₃ ^– .

Кроме того, СО₂ может входить в состав карбонатно-гидрокарбонатной буферной системы, образованной растворимыми гидрокарбонатами и нерастворимыми карбонатами :

СаСО₃ ↓ + СО₂ + Н₂О ↔ Са ²⁺ + 2 HСО₃ ^– .

На состояние равновесия этих реакций влияют парциальное давление СО₂ в атмосфере и температура. Этот цикл также не полностью замкнут, поскольку часть карбонатов захоранивается в донных отложениях.

В высоких широтах (то есть у полюсов) CO₂ активно растворяется в холодной морской воде, и часть его вместе с массами холодной воды опускается на большие глубины. Подводные течения перемещают обогащенные СО₂ воды к экватору. В низких широтах вода нагревается и отдает СО₂ в атмосферу. В этот цикл вовлекается 100 ГтСО₂ /год, что соответствует 30 ГтС /год.

Поступление углерода на сушу с атмосферным переносом в составе аэрозолей существенного значения не имеет. Средняя концентрация HCO₃^– в атмосферных осадках над океаном составляет 0,33 мг/л. На сушу из океана в составе ионов HCO₃^– поступает ежегодно 0,003 ГтС.

Благодаря частичной незамкнутости обоих циклов атмосферный углерод должен был исчерпаться за несколько тысячелетий. Запас СО₂ и СН₄ пополняется за счет вулканических газов и дегазации земной коры по глубинным разломам. Поступление из вулканов оценивается в 0,13…0,18 ГтС/год.

Интересно отметить, что в процессе фотосинтеза происходит фракционирование изотопов углерода ¹²С и ¹³С. Фермент, осуществляющий фиксацию CO₂, быстрее поглощает ¹²СO₂, чем ¹³СO₂, так что живое вещество оказывается обогащенным по изотопу ¹²С. Соотношение ¹²С:¹³С в разных природных объектах варьирует от 88 до 94, и примерные значение таковы: живое вещество – 90,5, углекислый газ атмосферы и гидросферы – 89,5, карбонатные отложения – 88,6. Изучение изотопного состава углерода в осадочных породах, содержащих карбонатный и органический углерод, показало, что на протяжении по крайней мере 3,7 млрд. лет биогенная фиксация СО₂ происходила однотипно, а атмосферный СО₂ распределялся между процессами карбонатообразования и фотосинтеза, причем более 80% углерода, поступавшего в процессе дегазации мантии, связывалось в биогенные карбонаты.